水文地質參數井同徑止水與分層抽水試驗研究

王盼秋

(菏澤市水利勘測設計院，山東 菏澤 274000)

1概 述

由于我國地質情況復雜多樣，導致水文地質參數也不盡相同，也為相關研究工作帶來較大困難。因此，分析水文地質參數井同徑止水與分層抽水情況，對我國城市地下飲用水研究工作具有十分重要意義。

孫芳強等[1]為獲得不同情況下含水層空間特征，通過結合實際工況，提出了新型分層取樣物探技術，可有效解決分層抽水等作業困難。李曉龍等[2]為解決現況下分層止水技術難題，通過結合現狀資料，提出了新型分層止水技術發展方向。王巖峰[3]通過研究同徑止水方法，探討了不同方法之間的優劣情況。楊建新等[4]通過試驗，證明止水塞和井管的特殊設計，可解決對口抽等技術難題。王海軍[5]通過研究兩種同徑止水方法，且采用兩種不同施工工藝，探討在實際工況中需要注意的問題，并分析了不同工藝之間的優缺點。楊聯鋒等[6]基于巖心和測井情況，劃分多個抽水試驗段，通過簡化井身結構，研究新型同徑分層止水工藝能否滿足抽水試驗要求。

綜上可知，目前我國對于水文地質參數井同徑止水以及分層抽水等方面的研究仍然較少，且考慮不夠全面。本文通過同徑止水裝置方案，選出最優型，并對止水材料進行分析；在此基礎上，演示分層抽水試驗過程，分析水文地質參數井同徑止水與分層抽水試驗現象情況，以期為水文地質研究工作提供參考。

2 工程工況與背景

菏澤市位于山東省西南部，與河南、安徽和江蘇3省接壤，菏澤市南北長157 000m，東西寬140 000m。根據當地地形地貌等特征，可將該市分為兩個水文地質亞區，分別為古河道帶沖積平原淡水區和湖西沖積湖積平原咸淡水區。該市第三次水資源平均地下水可開采量達到13×108m3，地下水質也較為良好，水質監測井數量占評價選用井總數53%，該市地下水源使用占比達到59.8%。因此，對該市的水文地質參數井同徑止水與分層抽水情況研究至關重要。

本文主要研究內容包括分層止水抽水等，主要設計同徑止水裝置方案，并選出最優型；然后對止水材料進行分析，分析分層導水管路設計；之后再對止水系統與導水管路進行重疊，在此基礎上進行密封來演示分層抽水試驗過程。

該試驗的設計要求主要包括鉆孔、取芯、分層止抽水、止水程序以及觀孔。其中，鉆孔參數見表1。對于取芯要求，則需要覆蓋層和變質巖層相互結合取樣。而分層止抽水的止水要求則需要將覆蓋層和變質巖層的隔水層按上下層段分止水，抽水要求則需要將變質巖地層按3個落程分層抽水。對于止水程序，主要包括兩套套管，分別為A型和B型，其型號見表2。對于觀孔，則在變質巖層按上下層分別設置觀測通道以及保護措施。

表2 套管型號

該試驗的技術路線主要為技術重難點分析、方案設計、設計圖紙繪制與加工、裝置檢驗、裝置風險評估、管柱入孔實施、檢驗與分層抽水試驗以及綜合效果檢驗。

3 試驗方案與組合

3.1 試驗方案

本試驗共有3個試驗方案，即A方案、B方案和C方案。其中，A方案長5m，選用B型號套管，并在管外焊接4只托盤，以實現分層止水的目的，具體情況見圖1。圖1中，1和2分別為隔水接頭和隔水臺階，3為限位檔圈，4為B型號套管，5和6分別為孔壁和焊接點。

圖1 A方案

B方案主要多設置了特殊組合接頭，包含止水接頭和隔水接頭。止水接頭外徑約100mm、內徑約50mm，每組共3節，設計要素相同，具體情況見圖2。圖2中，1和2分別為隔水接頭和止水臺階，3為孔壁，4和5分別為中止水接頭和下止水接頭，6為B型號套管。

圖2 B方案

C方案與B方案的設計情況相同，但止水組合不同，具體情況見圖3。圖3中，1和2分別為隔水接頭和上止水接頭，3為中止水接頭，4和5為膨脹膠粒和膠粒傘架，6為孔壁，7為止水接頭中部，8為B型號套管。

圖3 C方案

根據A方案、B方案和C方案設計圖紙，并進行室內試驗，結果見表3。

3.2 組合選型

組合選型選用2種止水材料進行試驗。分別選取不同材料在通常情況下進行試驗，并計算出膨脹率。室內試驗數據見表4。

由于兩種止水材料具有吸水膨脹等特點，結合技術要求，最終組合為：上節膨脹膠帶止水到中節，然后到食用海帶止水。而對于分層抽水導水管路設計，主要分別進行上下層分層抽水，其管路組合有兩種，分別為上層抽水導水管路和下層抽水導水管路，其中上層抽水導水管路主要由正反接頭到鉆桿約640 m再到進水篩管1根，然后串接錐形隔水膠球再到鉆桿尾部封水堵頭；下層抽水導水管路與上層抽水導水管路路線一致，但少了進水篩管1根，且鉆桿尾部封水堵頭變為鉆桿尾部封水堵頭。

表3 試驗數據

表4 性能試驗數據

4 結果分析

4.1 方案比選

A方案、B方案和C方案的對比結果如下：A方案存在鉆孔孔徑與止水套管外徑之間間隙無法實現以及隔水臺階無法控制等問題，且無法進行雙向焊接；B方案無明顯缺點，鉆孔孔徑與止水套管外徑之間間隙可以增大至8.5mm，各節止水裝置能夠充分連接，且物理性能可以得到保障；C方案的錐形傘架體安裝困難，試驗操作空間較小，具有失效風險。由此可知，B方案的效果最佳。

4.2 材料分析與選型

對于相同止水材料，由于水泥灌注復雜，且施工風險大，因此首先排除水泥材料。采用膨脹型止水材料，可保留膨脹膠帶和食用海帶，其施工風險較低，成功率較高。其中，常用膨脹型止水材料一般為20 mm×10mm(寬×厚)，每盤20m。其中食用海帶經濟實惠，且取材廣泛，性能較強且安全可靠。

4.3 分層抽水管路情況分析

在實施同徑止水的基礎上，進行分層抽水作業，主要通過設置隔水接頭與導水管路串接組合實現。根據圖紙規范，分別實施下段、上段含水層抽水作業。在施工現場可以發現，分層抽水試驗要求可以通過封水效果來進行滿足，由于錐形隔水接頭的內徑完全滿足通徑需求，該試驗的施工風險較小。通過對分層抽水試驗數據進行分析，分層抽水試驗主要分3層，第一層為645～1 000m，第二層為432～645m，第三層為432～1 000m。采用新型潛水電泵進行試驗，電泵下水深度超過100m，具體結果見表5。

表5 水文參數及分層抽水數據

由表5可知，上下層抽水出現較為明顯的富水性差異，最大出水量相差5.43 m/h。而在相同情況下，上下兩段降深數值相差值依然保持很大，出水量較高。當出水量達到15.26m3/h時，下層抽水比上層抽水降深大了接近70m，其中上下層靜止水位埋深達到20 m左右時，有較大差異，最大可達到410mm；涌水量會隨著層數增加而逐漸增大，當達到第三層時，涌水量最大；而對于滲透系數在第二層時，達到最大值；靜止水位則保存在較為穩定狀態；且不難發現，下層水溫高于上層，差值穩定在0.5℃。

5 結 論

本文基于水文地質參數井同徑止水與分層抽水試驗研究，設計同徑止水裝置方案，選出最優型，對止水材料進行分析，并進行分層導水管路設計。在此基礎上，演示分層抽水試驗過程，結論如下：

1)通過設置特殊組合接頭，包含止水接頭和隔水接頭。止水接頭外徑約100mm、內徑約50mm，每組共3節的設計要求可以有效解決鉆孔孔徑與止水套管外徑之間間隙無法實現以及隔水臺階無法控制等問題，能夠使各節止水裝置充分連接，且物理性能得到保障。

2)采用膨脹型止水材料，施工風險較低，成功率較高，可保留膨脹膠帶和食用海帶。其中，食用海帶經濟實惠，取材廣泛，性能較強且安全可靠。

3)實施同徑止水進行分層抽水作業，其中分層抽水試驗可分3層，采用新型潛水電泵進行試驗，以滿足分層抽水試驗工況。

4)上下層抽水富水性差異較為明顯，最大出水量相差5.43 m/h。當出水量達到15.26m3/h時，下層抽水比上層抽水降深大了70m左右。

5)涌水量會隨著層數增加而逐漸增大，當達到第三層時，涌水量最大；而對于滲透系數，在第二層時達到最大值；靜止水位則保持在較為穩定狀態；對于水溫情況，下層水溫高于上層，差值穩定在0.5℃。