趙宗昌，鄒海江，李鵬飛

(陜西省煤層氣公司天宇地質(zhì)研究院，陜西 西安 710065)

一孔多層抽水試驗(yàn)分層止水技術(shù)及應(yīng)用

趙宗昌，鄒海江，李鵬飛

(陜西省煤層氣公司天宇地質(zhì)研究院，陜西 西安 710065)

[摘要]在煤炭資源的勘探和采掘過(guò)程中，必須查明對(duì)煤層開(kāi)采有充水意義的含水層(體)的分布特征及富水性，因此，對(duì)各充水含水層進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)具有十分重要的意義。以白水煤礦檢4井筒檢查孔抽水實(shí)驗(yàn)為例，采用改進(jìn)的分層抽水試驗(yàn)技術(shù)，獲取不同含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)情況，旨在一個(gè)水文地質(zhì)鉆孔中了解不同深度含水層組的水文地質(zhì)特征，以達(dá)到減少施工鉆孔、縮短施工工期、節(jié)約施工費(fèi)用的目的。

[關(guān)鍵詞]分層抽水；水文地質(zhì)；白水煤礦；分層止水

分層抽水是水文地質(zhì)工作中經(jīng)常使用的技術(shù)手段，特別是不同的含水層其水位、水質(zhì)以及各種水文地質(zhì)參數(shù)均不相同，而目前沒(méi)有很好的方法或裝置能夠簡(jiǎn)易快速地對(duì)同一井孔內(nèi)上下層位的含水層進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)。白水煤礦位于陜西省白水縣(蒲白礦區(qū)中東部)，經(jīng)幾十年的生產(chǎn)，加之小煤窯開(kāi)采破壞，目前已面臨煤炭資源枯竭。為了增強(qiáng)礦區(qū)生產(chǎn)保障能力，通過(guò)對(duì)白水煤礦檢查孔施工，為礦井建設(shè)提供可靠的地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料。分層抽水施工是檢查孔施工中一個(gè)重要的內(nèi)容。本次采用一孔多層抽水試驗(yàn)分層止水技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)包括變更抽水順序，改變止水工藝，使用新型止水材料等，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證及此次井筒檢查孔的抽水試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，證明了這種方法的可行性、先進(jìn)性。

1抽水試驗(yàn)中存在的問(wèn)題

按常規(guī)方法，分層抽水只能由上到下順序進(jìn)行，施工工序如下：(1)首先小徑揭露到最上一層含水層底板停止；(2)進(jìn)行常規(guī)測(cè)井；(3)擴(kuò)孔；(4)下套管護(hù)壁(保護(hù)黃土層及基巖強(qiáng)風(fēng)化帶段孔壁)；(5)洗孔并對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行抽水；(6)水文測(cè)井。第一含水層組抽水試驗(yàn)結(jié)束后小徑繼續(xù)鉆進(jìn)至第二含水層組底板停止，進(jìn)行如下施工工序，完成對(duì)第二含水層組的抽水試驗(yàn)：(1)小徑揭露到含水層底板停止；(2)進(jìn)行常規(guī)測(cè)井；(3)擴(kuò)孔；(4)下止水管對(duì)試驗(yàn)段以上含水層隔離止水；(5)檢查止水效果；(6)止水合格后洗孔并對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行抽水；(7)水文測(cè)井；(8)起拔止水套管。第二含水層組抽水試驗(yàn)結(jié)束后小徑繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔，重復(fù)上述8項(xiàng)工作，完成對(duì)第三含水層組的抽水試驗(yàn)。

目前抽水試驗(yàn)存在的問(wèn)題：

(1)止水難度大、效果較差；(2)施工工序復(fù)雜，測(cè)井次數(shù)多，工期長(zhǎng)；(3)當(dāng)止水位置較深時(shí)，由于止水管和孔壁間隙小，如有掉塊或縮徑現(xiàn)象發(fā)生，止水管將難以拔出，造成孔內(nèi)事故，延長(zhǎng)工期，嚴(yán)重時(shí)可使鉆孔報(bào)廢。

2一孔多層抽水試驗(yàn)分層止水的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，在設(shè)備能力有限的情況下，對(duì)白水煤礦檢4號(hào)井筒檢查孔進(jìn)行的三次抽水試驗(yàn)作了以下改進(jìn)和嘗試：

2.1.1抽水順序變更

第一含水層組為孫家溝組，底深207.93 m，其上、中部呈疏干狀態(tài)，僅下部含水；上覆黃土層和基巖強(qiáng)風(fēng)化帶下有Φ245 mm套管護(hù)壁，因此，抽水試驗(yàn)時(shí)不需要再下止水管；抽水試驗(yàn)較簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)其下工序產(chǎn)生不利影響，所以在鉆到第一含水層組底界時(shí)停鉆，進(jìn)行第一次抽水試驗(yàn)。

第二含水層組為上石盒子組地層，由207.93 m起，至460.19 m止，含裂隙承壓水。抽水試驗(yàn)前應(yīng)下止水套管對(duì)孫家溝組(第一含水層組)進(jìn)行隔離止水，一旦止水套管與孔壁間發(fā)生掉塊或縮徑現(xiàn)象，止水套管將難以拔出，輕則造成孔內(nèi)事故，延長(zhǎng)施工期，增加施工費(fèi)用；重則致使后續(xù)施工無(wú)法進(jìn)行，形成廢孔，需移位另打。

針對(duì)此種情況，我們采取了變更抽水順序的措施來(lái)應(yīng)對(duì)，取得了令人滿意的效果。具體措施如下：

用小徑(Φ133 mm)直接鉆至終孔，常規(guī)測(cè)井后擴(kuò)孔至上石盒子組(第二含水層組)底界，下Φ180 mm套管(外焊止水托盤(pán))對(duì)孫家溝組含水層進(jìn)行隔離止水；由于上石盒子組地層較破碎且泥巖較多，故對(duì)第二含水層組下Φ180 mm花管，這樣做既保護(hù)了井壁，又能保證在對(duì)上石盒子組進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)含水層水能夠順利進(jìn)入孔內(nèi)，還為下一步工作的順利開(kāi)展創(chuàng)造了條件。

對(duì)下部?jī)珊畬咏M的抽水試驗(yàn)采用先下后上的原則。首先對(duì)二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組(第三含水層組)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，利用Φ60 mm鉆桿既做出水管，又兼做止水管(Φ60 mm鉆桿和測(cè)管外部焊接一個(gè)環(huán)狀可壓縮止水器)對(duì)上石盒子組隔離止水，這樣做既節(jié)省了套管、節(jié)約了時(shí)間，又克服了孔徑與止水套管間隙小的缺點(diǎn)；由于止水位置以上有Φ180 mm花管護(hù)壁，從而確保了止水器、鉆桿及抽水設(shè)備能夠順利從孔中拔出。鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

抽水試驗(yàn)結(jié)束后，用水泥漿對(duì)第三含水層組進(jìn)行封閉，然后對(duì)第二含水層組進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

2.1.2止水環(huán)狀可壓縮止水器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

在進(jìn)行第三層組抽水試驗(yàn)時(shí)，利用Φ60 mm鉆桿(出水管)外焊接環(huán)狀可壓縮止水器對(duì)其上覆含水層進(jìn)行隔離止水。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)

圖2　環(huán)狀可壓縮止水器

環(huán)狀可壓縮止水器詳見(jiàn)圖2。環(huán)狀可壓縮止水器長(zhǎng)1 000 mm，中間為Φ108 mm巖芯管，上面焊接一個(gè)托盤(pán)(外徑158 mm)，巖芯管下面有一個(gè)可以活動(dòng)的環(huán)狀鋼管，巖芯管下端做成喇叭狀，確保環(huán)狀鋼管不能脫出；托盤(pán)和環(huán)狀鋼管之間，每隔約160 mm用鋼筋彎一個(gè)環(huán)行接箍，托盤(pán)和接箍及環(huán)狀鋼管之間用彈簧連接，用吸水膨脹橡膠四周纏繞成錐形體，然后用鐵絲加固，周?chē)可宵S油。當(dāng)止水器下入指定位置時(shí)，由于變徑處下小上大，致使環(huán)狀鋼管向上擠壓，可以達(dá)到壓縮和膨脹的雙重止水效果。

抽水試驗(yàn)結(jié)束，起拔鉆桿，在止水器與孔壁間摩擦力的作用下，止水器被拉長(zhǎng)，直徑縮小，加之周?chē)坑悬S油，其上部地層又有Φ180 mm花管護(hù)壁，所以止水器及抽水設(shè)備能夠安全提出。

抽水試驗(yàn)結(jié)束，起拔鉆桿，在止水器與孔壁間摩擦力的作用下，止水器被拉長(zhǎng)，直徑縮小，加之周?chē)坑悬S油，其上部地層又有Φ180 mm花管護(hù)壁，所以止水器及抽水設(shè)備能夠安全提出。

由于此次施工的為水文孔，在操作過(guò)程中，為了確保環(huán)狀可壓縮止水器在孔內(nèi)的順利下入及起拔，對(duì)孔斜要求較高，鉆孔偏斜率應(yīng)小于或等于1.0%。

2.1.3新型遇水膨脹橡膠止水材料的使用

遇水膨脹橡膠作為一種新型的止水橡膠材料,最大優(yōu)點(diǎn)就是具有優(yōu)異的止水堵漏功能，目前已在水利工程、地鐵隧道、地下基礎(chǔ)工程、水壩等建設(shè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。遇水膨脹橡膠既能適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形，起彈性密封作用，又具有吸水膨脹，以水止水的特殊功效。它的工作原理是，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形超過(guò)材料的彈性恢復(fù)能力時(shí)，遇水膨脹橡膠遇水后體積可膨脹1至8倍，從而堵住滲漏的水，達(dá)到防水的目的。尤其在堵漏工程方面，它已取代了水泥灌漿、碎玻璃灌漿以及環(huán)氧樹(shù)脂堵漏等傳統(tǒng)施工方法。

從總體上講，橡膠是一種疏水性材料，在其分子鏈中除了碳、氫鏈段以外，還含有少量的親水基團(tuán)。當(dāng)與水接觸時(shí)，水分子通過(guò)擴(kuò)散、毛細(xì)管及表面吸附等物理作用進(jìn)入橡膠體內(nèi)，使橡膠體積迅速膨脹。與此同時(shí)，水分子與橡膠體內(nèi)的親水性基團(tuán)結(jié)合，形成一種親合力。這樣，進(jìn)入橡膠體內(nèi)的水使親水性基團(tuán)溶解或膨脹，在橡膠體的內(nèi)外形成滲透壓差。這種壓差對(duì)水向橡膠體內(nèi)的滲透還具有促進(jìn)作用。親水基團(tuán)持續(xù)不斷地吸收水分，使橡膠發(fā)生膨脹形變。當(dāng)抗形變力與滲透壓差相當(dāng)時(shí)，便達(dá)到了平衡，吸水膨脹作用可保持相對(duì)穩(wěn)定。

本次使用的止水材料為衡水興達(dá)工程有限公司生產(chǎn)的遇水膨脹橡膠止水帶，是采用高分子無(wú)機(jī)吸水膨脹材料和橡膠混練而成的一種止水帶產(chǎn)品，也是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一種新型建筑防水材料，在遇水后能吸水膨脹，最大膨脹率250%～550%倍，確保止水效果可靠。

遇水膨脹橡膠以其緩脹的特點(diǎn)，以水止水的特殊功效，具有優(yōu)異的止水堵漏功能，特別適合在抽水試驗(yàn)鉆孔中使用，如和可壓縮止水器配合，可起到壓縮與膨脹的雙重止水效果，止水效果可靠，有效的解決了鉆孔中上下含水層之間隔離止水的難題。

2.1.4水位觀測(cè)及止水效果檢驗(yàn)

環(huán)狀可壓縮止水器的使用，造成管內(nèi)外水位難以觀測(cè)的問(wèn)題。為了解決這一難題，我們?cè)诔槿〉谌龑铀畷r(shí)，將6分測(cè)管、水泵電纜與Φ60 mm鉆桿(兼做出水管)一起捆綁，環(huán)狀可壓縮止水器焊接于水泵上方15 m處的鉆桿和測(cè)管外部，止水器與鉆桿、測(cè)管及水泵電纜接觸處的空隙用止水橡膠填充，并用止水膠粘結(jié)密實(shí)，確保不漏水；止水器與鉆桿和測(cè)管接觸處焊接結(jié)實(shí)。

在井內(nèi)下人止水器后，采用水位壓差法檢驗(yàn)止水效果：測(cè)定止水后井管內(nèi)外的水位，采用抽水的方法造成井管內(nèi)外的水位差，并使其差值達(dá)到10 m或抽水試驗(yàn)時(shí)的最大降深值時(shí)，穩(wěn)定半小時(shí)，若水位波動(dòng)幅度不超過(guò)0.1 m，則止水有效，否則止水失敗，需要檢查止水器，重新止水。

2.2創(chuàng)新點(diǎn)

該方法的創(chuàng)新點(diǎn)是在對(duì)上、下兩含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)上部含水層上覆地層采用止水套管進(jìn)行隔離止水，然后利用抽水試驗(yàn)時(shí)的出水管外部焊接一個(gè)環(huán)狀可壓縮止水器完成對(duì)下部含水層以上地層的止水工作，同時(shí)又能對(duì)下部含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)；下部含水層抽水試驗(yàn)工作結(jié)束后，用水泥漿對(duì)下層水進(jìn)行封堵，最后對(duì)上部含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

3應(yīng)用效果分析

3.1實(shí)施效果

根據(jù)鉆孔實(shí)際情況及設(shè)計(jì)要求，本孔對(duì)二疊系上統(tǒng)孫家溝組(P2s)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2sh)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組(P1sh+ P1s)共三個(gè)含水巖組進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，現(xiàn)分述于下：

孫家溝組：作了三個(gè)降深的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，最大降深19.17 m(大于水柱高度的二分之一)，最小降深6.80 m，降距均大于6 m，抽水總延續(xù)時(shí)間49 h，穩(wěn)定時(shí)間均大于8 h，水位跳動(dòng)誤差0.9%，流量誤差最大為2.1%，符合規(guī)范要求，抽水質(zhì)量達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)。

上石盒子組：作了三個(gè)降深的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，最大降深56.59m，最小降深19.52 m，降距均大于10 m，抽水總延續(xù)時(shí)間49 h，穩(wěn)定時(shí)間均大于或等于8 h，水位跳動(dòng)誤差最大為0.7%，流量誤差為0，符合規(guī)范要求，抽水質(zhì)量達(dá)到“優(yōu)質(zhì)”標(biāo)準(zhǔn)。

下石盒子組和山西組：進(jìn)行了混合抽水試驗(yàn)，由于單位涌水量小于0.01 L/s·m(0.005 2 L/s·m),故只作了一次降深(93.28 m)，抽水延續(xù)時(shí)間37 h，穩(wěn)定時(shí)間10 h，水位跳動(dòng)誤差0.4%，流量誤差為0，符合規(guī)范要求，抽水質(zhì)量達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，本次共完成抽水試驗(yàn)3層次，抽水試驗(yàn)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T1091-2008)的要求執(zhí)行，質(zhì)量均達(dá)到合格以上(含合格)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2經(jīng)濟(jì)效益

(1)按常規(guī)施工方法，每一含水層組抽水試驗(yàn)時(shí)需各進(jìn)行一次常規(guī)測(cè)井和水文測(cè)井；采用本次施工方法，除第一含水層組抽水試驗(yàn)外，第二含水層組、第三含水層組通盤(pán)考慮、綜合施工、分層進(jìn)行，首先用小徑一次成井，第二、第三含水層組的常規(guī)測(cè)井和水文測(cè)井工作合二為一，節(jié)省常規(guī)測(cè)井和水文測(cè)井工作各一次。

(2)環(huán)狀可壓縮止水器的研制和使用，使利用出水管(Φ60 mm鉆桿)兼做止水管對(duì)試驗(yàn)段上覆含水層進(jìn)行隔離止水得以順利實(shí)施，節(jié)省Φ180 mm止水套管462.50 m，節(jié)約了費(fèi)用，縮短了工期。

綜上所述，“新方法”共節(jié)省常規(guī)測(cè)井和水文測(cè)井各一次，節(jié)約費(fèi)用約2.3萬(wàn)元；節(jié)省Φ180 mm止水套管462.50 m，節(jié)約費(fèi)用7.4萬(wàn)元，共計(jì)9.7萬(wàn)元，材料費(fèi)用平均節(jié)約168元/m。該方法簡(jiǎn)化了施工程序，縮短了施工時(shí)間，節(jié)約了施工費(fèi)用，同時(shí)又完成了抽水試驗(yàn)任務(wù)，是一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的好方法。

4結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了環(huán)狀可壓縮止水器，改進(jìn)了以往一孔多次分層抽水試驗(yàn)的工藝，實(shí)現(xiàn)了止水器的重復(fù)利用，降低了施工成本；

(2)環(huán)狀可壓縮止水器配合膨脹橡膠止水材料，可有效解決井內(nèi)上下含水層的隔離問(wèn)題，止水效果良好；

(3)設(shè)計(jì)了抽水和水位觀測(cè)一體化裝置，將測(cè)管、水泵電纜及鉆桿(兼做出水管)有效地捆綁在一起，解決了環(huán)狀可壓縮止水器應(yīng)用后無(wú)法觀測(cè)水位的難題；

(4)開(kāi)展了一孔多層抽水試驗(yàn)工作，改變了抽水工藝，采用了研制的環(huán)狀可壓縮止水器并配合膨脹橡膠止水材料，提高了一孔多層抽水的效率，降低了能耗節(jié)約了成本。

4.2建議

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，下部含水層抽水試驗(yàn)工作結(jié)束后，用水泥漿對(duì)下層水進(jìn)行封堵，水泥漿用鉆具送入指定深度。當(dāng)水泥漿注入較多時(shí)，會(huì)進(jìn)入上部含水層底部，影響上部含水層水在抽水時(shí)的順利涌出；當(dāng)水泥漿注入較少時(shí)，對(duì)下部含水層不能完全封閉，同樣影響抽水試驗(yàn)所獲資料的準(zhǔn)確性。如何準(zhǔn)確而快速地對(duì)下部含水層進(jìn)行封堵，我們目前的做法是利用井徑曲線分段確定孔徑，根據(jù)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定水泥漿用量，然后用鉆具準(zhǔn)確送入預(yù)定位置，初凝后再用鉆具探測(cè)。由于孔徑變化受多種因素影響，具有各向異性，井徑曲線有一定的局限性，不能詳細(xì)反映孔徑在所有方向上的變化情況；鉆孔水溶解有一定的泥漿成分，不能完全清除，水中又有懸浮狀態(tài)的巖粉，因此用模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的水泥漿用量和實(shí)際情況有一定的出入，值得進(jìn)一步研究。

5結(jié)語(yǔ)

綜合對(duì)比分析可知，采用單井進(jìn)行多含水層分層抽水試驗(yàn)的方法，較之前的單層抽水試驗(yàn)技術(shù)和常規(guī)施工方法，有了很大的改進(jìn)和提高，是非常經(jīng)濟(jì)有效可行的方法。既節(jié)約了管材，又節(jié)省了時(shí)間，并且減少了資金，達(dá)到了抽水試驗(yàn)的目的。而且這種抽水試驗(yàn)的方法，也是澄合天宇勘探建井工程有限責(zé)任公司歷年來(lái)野外抽水試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證及此次井筒檢查孔的抽水試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐證明了這種方法的可行性、先進(jìn)性。該一孔多層抽水試驗(yàn)的方法操作簡(jiǎn)單，環(huán)狀可壓縮止水器加工方便，不僅適用于蒲白礦區(qū)，其他地區(qū)亦可進(jìn)行推廣應(yīng)用。該方法具有簡(jiǎn)單靈活、可操作性強(qiáng)、止水效果可靠、止水管材可以回收利用、低耗高效的特點(diǎn)，適宜推廣。

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[收稿日期]2016-03-14

[作者簡(jiǎn)介]趙宗昌(1984-)，男，山西運(yùn)城人，工程師，主要從事地質(zhì)工程工作。

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU991.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0128-03