濟寧地區淺層地下水環境監測井成井工藝探討

摘要：本文以濟寧某30m淺層地下水環境監測井為例，詳細介紹了“小徑勘查、擴孔成井”模式下地下水淺層監測井施工勘查及成井工藝。“小徑勘查、擴孔成井”工作模式無需物探測井，精簡了工作流程，提高了工作效率，降低了工程造價。但需采取相應措施保障勘查階段鉆孔垂直度，科學選擇濾料材料，保障監測井使用功能的穩定、長久；合理選擇封隔層材料，可以保障施工順利實施，快速達到預期封隔效果，提高成井質量。

關鍵詞：監測井；水文地質勘查；成井工藝；垂直度；濟寧市

中圖分類號：P641.7 """文獻標識碼：A """doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.04.007

引文格式：孫中瑾，滿偉慧，高燕，等.濟寧地區淺層地下水環境監測井成井工藝探討［J］.山東國土資源，2024，40（4）：54-60. SUN Zhongjin， MAN Weihui， GAO Yan， et al. Exploration of Well Completion Technology for Monitoring Shallow Groundwater Environment in Ji'ning Area［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（4）：54-60.

0 引言

濟寧市幅員廣闊，地質環境條件復雜，經濟發展不均衡，造成天然因素所形成的以及人為活動影響所形成的地下水水化學特征差異顯著。為貫徹落實《地下水管理條例》《中共中央國務院關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》《“十四五”土壤、地下水和農村生態環境保護規劃》等文件要求，作為首批地下水污染防治試驗區，濟寧市制定了地下水環境背景值調查的建設任務。地質環境監測工作既是一項服務于國民經濟建設和政府宏觀決策的基礎性工作，又是地質環境監測的重要組成部分［1］。為了調查濟寧市地下水背景值，選取1095個采樣點，在充分利用已有監測井的基礎上，開展地下水環境監測井建設任務，加強地下水監測工作，建立健全地下水環境動態監測體系［2］，地下水環境的長期監測對地下水資源的評價、開發、保護與管理具有重要意義［3-7］。

濟寧市地下水環境背景值調查監測了淺層孔隙含水層、中深層孔隙含水層和巖溶含水層，使用了現有地下水井和新建地下水環境監測井，詳見表1，淺層地下水環境監測井井位分布見圖1。

本文以濟寧某30m淺層新建地下水環境監測井為例，詳細介紹了該模式下地下水淺層監測井施工勘查及成井工藝。新建淺層地下水環境監測井主要以《地下水環境監測井建井技術指南》（中國環境監測總站）為設計基礎［8］，施工前需要根據監測井的類型、深度和場地地質條件，合理確定鉆探工藝，以確保施工效率和工程質量［3-9］。為了提高工作效率，提出了“小徑勘查、擴孔成井”的先探后采工作模式［7］，即先使用Φ110鉆取取心勘查，然后使用Φ300擴孔鉆頭鉆孔成井。可以節約物探測井，快速確定水文地質信息。

1 研究區概況

研究區位于山東省濟寧市兗州區，地形以平原洼地為主，地勢東高西低［10］，新近系和第四系松散地層廣泛發育于中、西部平原區和東部山間洼地及河谷地帶，巖性為黏性土、粉砂、中細砂和粗砂等，研究區內未松散地層較厚，未揭穿。

水文地質分區為魯西北平原松散巖類水文地質區（Ⅰ）、山前積洪積平原低礦化淡水水文地質亞區（Ⅰ1）、汶泗河沖洪積扇地下水系統（Ⅰ1-7）中，含水層巖性以中粗砂、中砂及細砂為主，富水性較強至中等，單位涌水量一般500～1000m3/（d·m），其他地段富水性相對較弱，多在100～500m3/（d·m）［11-12］（圖2）。

淺層地下水環境監測井設計監測對象為松散巖類孔隙水，監測指標為《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）39相常規指標以及鉀、鈣、鎂、重碳酸根、碳酸根、游離二氧化碳等地下水常規化學指標。

2 水文地質勘查

本次監測井施工采用長探GY-200型地質勘察鉆機，最大扭矩為2000N·m，卷揚提升力為30kN，驅動方式為柴油機，泥漿泵為自帶，底座為可自行走式履帶底座。鉆具組合為Φ110取心鉆頭+Φ110巖心管+Φ50鉆桿+主動鉆桿。鉆井液采用低固相鈉基膨潤土泥漿［13］，比重為1.15～1.2，黏度為25～35s，失水量lt;30mL/30min，切力為5～10Pa，pH為8～10。取心鉆具為用投彈接手單管單動鉆具，正循環全孔連續取心，巖心采取采用干鉆式卡取法。

為方便水文地質編錄，采取的巖心放入巖心箱進行地面擺放，用巖心排標明地層巖土性質；勘查孔直徑為110mm，頂角偏斜不得超過1°；巖心采取率黏性土大于80%，粉土、砂性土大于60％，極難取心情況下不得低于50%。

本次水文地質勘查深度為30m，巖心采取率：黏性土達95％，砂層達67％，平均為83％。進行了水文地質編錄，結果如表2所示。由于初見水位為8.5m，6.5～7.9m為季節性非穩定含水層，容易受污染，水質不穩定，可最終確定目標監測含水層為15.0～17.0m細砂和20.0～23.5m粉砂巖土層。

3 成井工藝

3.1 成孔、換漿

本次工作在水文地質勘查孔井基礎上，采用300mm擴孔鉆頭擴孔成孔，為一徑成孔模式，成孔深度與勘查深度相同，為30m。鉆具組合為Φ300三翼擴孔鉆頭+扶正器+Φ50鉆桿+主動鉆桿，鉆井液采用鈉基膨潤土泥漿，泥漿黏度為25～40s。

完成了鉆孔擴孔成孔后，進行換漿工作，以保障含水層出水量。將沖孔鉆桿下放到孔底，加入少量羧甲基纖維素絮凝劑，采用了大泵量沖孔排渣，孔內巖渣排凈后，沖洗液黏度降低至18～20s，密度降低至1.1～1.15g/cm3，完成換漿工作。

3.2 井管選擇、排列及下入

3.2.1 井管選擇

本次工作井管選用Φ160 PVC-U材質監測井專用井管，單根長度為3m，井管之間采用平螺紋連接，O型環密封，濾水管為割縫篩管，該井管具有抗腐蝕、質量輕、壽命長、環保等優點［14］。

3.2.2 井管排列

為了準確、快速實現監測井井管排列，本文提出一種圖形式快速排管方法，可圖形化直觀展示排管成果、直接作為施工圖使用，大幅度減少人為錯誤，詳見圖3。

（1）勾畫孔深線段。使用Auto CAD軟件，按照一定比例水平繪制線段地層，宜每5m為單位進行線段表示，并在線段下側用圖例標注含水層位置及巖性。

（2）確定整體含水層位。本次工作水文地質勘查確定含水層為15.0～17.0m和20.0～23.5m砂層，由于砂層間距僅3m，不超過1個濾水管長度（3m），按預制濾水管應遵循整體使用原則，將2個含水層合并作為整體考慮，即15～23.5m。確定篩管根數應＞（23.5-15）/3≈3根，考慮到下管施工存在誤差等因素，建議篩管根數取4根。

（3）繪制井管柱狀圖。按照井管長度組合，初步繪制井管排列柱狀圖，長度宜長不宜短。

（4）完成排管圖繪制。計算含水層中心深度為（15+23.5）/2=19.25m，并使用垂直線段標注，移動井管柱狀圖，使篩管中心深度與含水層中心深度對應，為19.25m。井管從地表向下按井壁管—濾水管—沉淀管順序排列［15］，根據實測孔深，確定沉淀管底面為30m；根據井口預留段長度，確定井管頂面為高出地面0.3m。最后對井管自下而上進行編號、標注參數數據，以完成排管圖繪制。（5）根據排管圖進行井管統計，完成井管排列工作，排管信息統計如表3所示。

3.2.3 井管下入

井管下入前，沉淀管應底部應進行封孔處理，濾水管段應進行包網處理。井管下管時，從下到上按編好的序號依次將井管下放到鉆孔中［16］。下放時，在沉淀管底部捆扎鐵絲，利用鐵絲在地面上拉扯，控制下放井管下放速度，保持緩慢下放。沉淀管下放至水面以下時，因浮力作用導致不能繼續下放，可通過在井管內加水抵消浮力，保障沉淀管在水下順利下入。為了防止井管下入孔內不居中，每隔10m處在井管外增加扶正器。

3.3 濾料、封隔層圍填

為確定濾料粒徑及篩縫寬度規格，本次工作采取少量15.0～17.0m和20.0～23.5m砂層含水層巖心土樣進行簡易篩分試驗（圖4），兩層含水層的D10（10%的土壤顆粒能夠通過的粒徑）均小于0.3mm。根據濾料粒徑、篩縫寬度與含水層土壤粒徑換算表（表4）確定，應使用的濾料粒徑為0.3～0.6mm，篩縫寬度0.178mm。由于市場上最小石英砂濾料規格為0.5～1.0mm，因此選用該規格濾料。

根據《地下水環境監測井建井技術指南》（中國環境監測總站）規定，沉淀管外圍需用直徑0.6～1.2cm球狀或扁平狀的黏土粒填充；濾水管及其上部井管60cm處的外圍均需用濾料填實；在過濾層上下部環狀間隙應使用止水材料進行封隔，密封厚度一般大于4m，本次工程采用的止水材料為0.6cm黏土球，可以確定成井結構（圖5）。根據成井結構，充填系數取1.1，可確定所需的黏土球為2.82+0.92=3.74m3，石英砂濾料為2.94m3，詳見表5。

下管結束后，采用人工從井管四周緩慢均勻填入井管與井壁間的空隙處方式圍填物料。首先在沉淀管段圍填黏土球，緩慢圍填至25.25m。其次，圍填濾料，圍填計算礫料量的80%時，及時測量圍填深度。當濾料高于篩管頂部時，下入鉆桿，開起泥漿泵，進行循環，使用動水，防止礫料中間搭橋，使礫料密實，直至圍填至12.65m止水深度。最后，礫料圍填結束后，緩慢圍填黏土球，圍填至孔口結束。

3.4 洗井

完成濾料、封隔層圍填后，下入功率1.5kW、額定流量5m3/h、揚程62m潛水泵進行抽水洗井，抽至約24h，監測井抽出的水應清澈透明，濁度低于5NTU，洗井工作結束。

3.5 平臺、井口保護管安裝

為保護監測井及井內的監測儀不受人為損壞，防止地表水及污染物質進入監測井內，建設了監測井井口配套保護設施。井口保護裝置包括井臺或井蓋，警示柱，井口標識等部分（圖6）。

井口保護筒使用不銹鋼材質，保護筒內徑為240mm，外徑為254mm；井口鎖頭應用異型鎖；保護筒高50cm，下部應埋入水泥平臺中10cm起到固定作用。警示柱直徑4cm，用碳鋼材質，長1m，漆成黃黑相間色，其中高出水泥平臺0.5m，埋在水泥平臺下0.5m。水泥平臺為厚15cm，邊長為50～100cm的正方形水泥臺，水泥臺四角須磨圓，并各設置一根警示柱。

井口標識銘牌設立于地下水環境監測井井蓋的反面，標識監測井類別，監督電話等信息。

4 討論

（1）“小徑勘查、擴孔成井”的工作模式

本研究采用了“小徑勘查、擴孔成井”的工作模式，即先使用Φ110鉆具取心勘查，然后使用Φ300擴孔鉆頭成井。本工作模式通過水文地質勘查編錄快速確定水文地質地層條件、含水層層位，無需物探測井，適用于第四系淺層地下水環境監測井施工。淺層地層土質松軟，鉆探效率高，30m以內監測井鉆探時間一般不超過6h，避免了物探統一測井工作等待時間，可立即進行下管成井，大幅度提高工作效率，降低施工過程中不確定因素的發生。另外，在僅需保障勘查孔的垂直度情況下，可選擇使用體型較小的勘察鉆機完成工作，避免了使用垂直度比較高的較大型水井鉆機，避免了大面積施工占地、鉆機搬遷難度高等問題。考慮物探測井工作量的節省，本工作模式可降低整體工程造價。

提高“小徑”勘查孔垂直度成為了本工作核心難點，勘查小孔垂直度對受鉆機、鉆具、人為、技術工藝等因素影響。為提高鉆孔垂直度，可采取以下措施：

鉆機選擇上，避免使用磨損嚴重、立軸晃動大的鉆機。

鉆具選擇上，去除彎曲鉆桿，配備了1m、2m和3m長巖心管，孔深條件允許時，盡量使用較長鉆具施工，保證開孔段垂直度。

人員配備上，可配備技術水平高、經驗豐富的鉆機長，并及時測量孔斜。

技術工藝上，首先保障鉆機安裝的垂直度、底座牢固，保障開孔垂直度；施工時，盡量選用較低的鉆壓，進尺不能太快，尤其在土質軟硬不均的地層中施工，防止在遇到較大塊卵石、漂石時產生偏斜［17］。

（2）濾料、封隔層選擇

目前，監測井施工領域在濾料粒徑選擇上，具有唯“感觀論”風氣，普遍上偏向使用2mm以上石英砂或者灰巖屑。特別對于細砂、粉砂含水層，濾料粒徑過大，導致大孔隙較多，地層中細小顆粒隨著水流進入監測井內沉淀，導致監測井不斷被淤堵，監測井功能不斷降低、直至喪失。為此，本次工作采取將少量砂樣進行了簡易篩分試驗，根據級配曲線獲取了D10（10%的土壤顆粒能夠通過的粒徑）的范圍，科學的確定濾料的粒徑、篩管篩縫寬度，保障了監測井使用功能的穩定、長久，提高了成井質量。

封隔層選擇上，標準規定可以選用黏土球或者水泥，考慮普通硅酸鹽水泥具有干縮性特點，在第四下地層封隔容易造成裂縫，施工麻煩，因此優選選用黏土球。黏土球吸水膨脹率高，在第四系地層中，可有效快速實現封隔功能。在黏土球選擇上，相關標準缺乏統一、具體規定條款，本次工作環狀間隙較小，選擇了粒徑較小、圓度高的黏土球，避免充填搭橋現象。實際施工過程表現非常順利，達到預期封隔效果。

5 結論

（1）淺層地下水環境監測井孔深一般不超過30m，淺層地層以黏性土、粉土、砂土等為主，整體鉆探施工周期較短。“小徑勘查、擴孔成井”工作模式，通過取心編錄獲取水文地質信息，無需統一物探測井，精簡了工作流程。實踐證明，該工作模式在淺層地下水環境監測井施工中，提高了整體工作效率，降低了工程造價，為同類項目施工提供經驗參考。

（2）在本工作模式下“小徑”勘查孔，還兼擴孔導向孔作用，決定成井垂直度，提高“小徑”勘查孔垂直度是核心難點，可在鉆機選擇、鉆具選擇、人員配置、技術工藝等方面采取相應措施，保障鉆孔垂直度及成井質量。

（3）井管選擇及排列是高質量成井質量的重要保障，PVC-U管在材料、物理、化學性能方面的優越性能，是成井管材最佳選擇。為了準確、快速實現監測井井管排列，利用Auto CAD軟件實現圖形式快速排管，可直觀展示排管成果，直接作為施工圖使用，大幅度減少了人為錯誤。

（4）科學的選擇濾料及封隔層材料是高質量成井的基礎保障，通過簡易篩分試驗級配曲線可科學、合理地選擇濾料粒徑規格，保障監測井使用功能的穩定、長久；優選小粒徑黏土球作為封隔材料，可以保障施工順利實施，快速實現良好預期封隔效果。

（5）嚴格的施工組織管理是高質量成井的措施保障，技術人員要認真學習相關規范、法規及成井設計，科學施工、精心施工。

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Exploration of Well Completion Technology for Monitoring Shallow Groundwater Environment in Ji'ning Area

SUN Zhongjin1，2，3， MAN Weihui1，2， GAO Yan1，2， WANG Maozheng1， GAO Xinyue1， HU Ying1，2， LIU Zuo1

（1. Lunan Geo-engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ）， Shandong Ji'ning 272100， China; 2.Technology Innovation Center of Restoration and Reclamation in Mining Subsidence Landof the Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'ning 272100， China; 3. Shandong Provincial Geology Construction Limited Corporation， Shandong Ji'ning 272100， China）

Abstract：In order To investigate the background value of groundwater in Ji'ning city， choosing 1095 sampling points， on the basis of fully using existing monitoring wells， a large number of underground water environmental monitoring well construction tasks have been carried out. The construction exploration and well completion technology of the shallow groundwater monitoring well under the \"small diameter exploration， hole expansion and well completion\" mode have been introduced in detail. The working mode of \"small path exploration， borehole expansion and well completion\" do not require geophysical logging. It can simplify the workflow， improve work efficiency， and reduce engineering costs. However， corresponding measures need to be taken to ensure the verticality of drilling during the exploration stage." Selecting filter materials scientifically can ensure the stable and long-term use of monitoring well functions. Reasonable selection of sealing layer materials can ensure the smooth implementation of construction， achieve the expected sealing effect quickly， and improve the quality of well completion.

Key words： Monitoring well; hydrogeological exploration; well completion process; verticality; Ji'ning city