临清市贫咸水区成井工艺探讨

2012-08-15郭印坦王文静王文博李爱华

地下水 2012年5期

关键词：井孔井管成井

郭印坦，王文静，王文博，李爱华，魏虹

(山东省临清市水务局，山东临清 252605)

临清市贫咸水区成井工艺探讨

郭印坦，王文静，王文博，李爱华，魏虹

(山东省临清市水务局，山东临清 252605)

临清市部分地区淡水分布在30～50 m以内，含水层较薄，有些地方是多层分布，含水层为弱透水性地层，富水性较差，造成出水量较小，且容易於堵，使用寿命短的情况，采取粗骨料的成井工艺，通过试验对比，粗骨料井具有水跃值小、单井出水量大等特点，与使用的常规井比，单井出水量增大30%以上，由于出水量大，降到了运行成本，与常规井比运行成本降低11%左右，具有广阔的推广应用前景。

贫水水区;成井;工艺

临清市地处鲁西北黄泛平原，位山引黄灌区的最下游，农业灌溉以“井渠结合，引黄补源，以井保丰”为基本特点。农村饮水安全工程全部采取地下水。机井在农业灌溉和饮水安全工程中发挥重要的作用。但由于临清市水文地质条件不同和黄河故道的影响，存在多处贫咸水区。该地区淡水分布在30～50 m以内，含水层较薄，有些地方多层分布，含水层为弱通水性地层，富水性较差。在此地区利用普通方式，按照常规的施工工艺，特别是无砂混凝土管井，由于洗井限制，井孔壁渗透性降低，出水量较少，且容易淤赌，井使用寿命短。为了加大单井出水量，延长井使用寿命，我市联合北京中科水工程总公司进行了新型成井工艺的研究。

1 研究的主要内容

本项目针对我市淡水分布在50 m以内，含水层较薄或多层分布，含水层为弱透水性地层，富水性较差的特点，研究在这些地区增加出水量的粗骨料井的技术条件，包括适用条件、适宜井深、井径、过滤器和井管结构、滤料粒径与含水层关系、洗井工艺以及施工设备选择等。研究采用试验与示范应用相结合的方法，建立试点工程，在收集资料和充分调查的基础上，与常规井进行对比试验，着重试验滤料结构和粒径、滤水管材料和结构、成井工艺等内容，提出粗骨料井成井新技术。

2 粗骨料成井原理及施工工艺

2.1 粗滤料井原理

粗骨料井是指井管周围填充大粒径滤料以增大出水量的机井。其主要原理是在井周围填充了大粒径滤料，滤料层空隙大，进水阻力小，出水能力强，出水时间可带出地层中可以移动的泥沙。一般在成井后，自上而下在每个含水层中大降深抽水洗井，逐渐抽出机井周围含水层中可以移动的细颗粒，机井周围形成空穴，滤料随之填充，并随抽随补充填充，直至填料稳定不再下沉为止。洗井过程中，随着滤料的下沉填充含水层，将井壁泥浆破坏，在井孔外逐渐形成天然反滤层，以改善机井渗透性，较少井内水跃，增加单井出水量。粗骨料主要适用于有一定密实度的粘土顶板、厚度薄、埋藏浅的粉细砂，细砂含水层或粉细砂、细砂与弱透水层互层的地区。

2.2 粗骨料井的设计

2.2.1 井管

粗骨料井的井管选择钢管井管、塑料井管、桥式滤水管、圆孔钢筋混凝土等，若采用无砂混凝土井管。则需要将其骨料粒径增大。

2.2.2 滤水结构设计

滤水结构的作用是，一方面能使含水层中的水以最小的阻力，畅通地通过滤水管进入井内，另一方面要求能有效地拦截含水层中细小颗粒，不被水流带入井管内。其基本要求是:

1)具有含水层相适应的透水性和最小的进水阻力，需要慎重选择过滤器的类型和孔隙率。

2)能有效地防止产生最终涌砂，即经过洗井后可以达到水清砂净。为此过滤器的孔(缝)眼大小，必须根据含水层的颗粒大小，合理地加以确定。

3)能有效的防止产生机械堵塞、化学、电化学堵塞和生物堵塞，在合理进行结构设计的同时，要注意滤水管的材料选择。

4)具有合理的机械强度和耐久性，防止在施工和运行管理中损坏。

5)结构尽可能简单，加工制作容易，造价低廉。

若要增大机井出水量就要增大滤水面积，而增大开孔滤和滤料填砾厚度是重要途径。粗骨料井是通过增加滤料厚度和加大滤料粒径达到增大出水量的目的，故粗骨料井的滤水结构肯定是填砾滤水结构，其滤水结构设计主要是滤水管形式、开孔率大小等。

为了获得大的滤水面，粗骨料井的滤水管形式应选择不缠丝穿孔式过滤器。滤水管材料应选择与井管同材料同规格的管材。滤水管的开孔方式可分为圆孔式和条孔式，管外一般不缠丝，根据水文地质条件，也可以在滤水管外包一层40～60目的外包布。为了降低滤水管的入流流速，滤水管必须有足够的进水面积。在滤水管结构尺寸一定的情况下，有效进水面积大小与其开孔率大小有密切关系。开孔率越大，有效进水面积越大。为了增大进水面积，在管材强度允许的情况下，滤水管应具有尽可能大的开孔率。由于粗料骨井主要应用于浅薄层含水层，属于无压含水层，在过滤器直径较小时，滤水管直径越大，井的出水量越大。根据实践经验和试验结果，建议粗骨料井的滤水管直径选择φ300 mm左右为宜。

由于粗骨料井的原理，其含水层厚度一般不大，应该设计成完整井，在全部含水层中均布设滤水管。

2.2.3 滤料设计

滤料选择的原则是所选用的滤料，在洗井和除砂时，能将机井周围含水层的细颗粒带出，形成天然反滤层，保证留在含水层的剩余砂粒保持稳定，不能再自由移动。机井增大出水量就要增大滤水面积，而增大滤料填砾厚度是增大滤水面积的重要途径之一。粗骨料井的滤料初填厚度宜为240～250 mm。粗骨料井在洗井后，滤料会下沉补充井周围空穴。滤料的数量应根据设计的理论需要再加上一定的富余量，通过试验中得到n=25%，设计中可取25%～30%。

2.2.4 井孔直径和深度设计

根据粗骨料井的原理，粗骨料井是通过滤料厚度和加大滤料粒径达到增大出水量的目的，故井孔直径应该较常规井要大一些。根据试验结果，综合考虑出水量、成孔难度、经济等因素，建议井孔直径0.8～1.2 m为宜。粗骨料井一般应用于浅薄层含水层中，含水层不厚，一般小于10～20 m，故粗骨料井应设计成完整井，含水层底需要设沉淀管，沉淀管长度宜不小于2 m。

2.3 粗骨料井施工

2.3.1 井孔钻进方法和设备选择

由于粗骨料井的适用范围是有一定密实度的粘土顶板、厚度薄、埋藏浅的粉细砂、细砂含水层或粉细砂、细砂与弱透水层互层的地区，地层以粉、细砂、亚粘土、粘土为主，同时根据粗骨料井的原理，在钻进工程中应尽量降低泥浆比重，同时深度不是很深，综合考虑，井孔钻进方法宜选择泵吸反循环回转钻进，相应地钻进设备应选择泵吸反循环钻机。

2.3.2 成孔

泵吸反循环原理是利用泵的抽吸水量，使冲洗液进入反循环的管路，泵的进水口和钻杆的提引水龙头相连接，出水口与泥浆池相通，泥浆池又与孔口相通，当泵开始工作时，泥浆池中的冲洗液由钻杆与孔壁之间的环状间隙进入孔底，孔内冲洗液携带岩屑从钻杆内上行至地面，经提引水龙进入水泵最终流入沉泥浆池，完成了一个工作循环。

2.3.3 下管前的准备工作

下管是成井工艺中的关键工序，直接影响成井的质量，在下管前应做好以下各项准备工作:

1)探井

井孔钻进完成后，应首先进行探井，以查明井壁是否圆滑规则，如有缩径或不圆的现象，应及时修整，保证下管工作能顺利地进行。探孔采用探孔器进行，它是由钻杆和导正圈组成，导正圈的直径比钻孔直径小20～30 m，两圈间距离为2 m，整个探孔器长度不小于8 m。如连接探孔器的钻杆能顺利下至孔底，说明钻孔圆直，井壁平滑，否则应进行修孔。

2)换浆

井孔钻成后，井内泥浆粘度不大，含砂量高，井壁泥皮也较厚，如立即下入井管，过滤器的缝隙和网眼有可能被封堵。从井口填入的砾料，在下沉过程中也很容易粘滞在井壁皮上，造成中途堵塞，使围填砾料和洗井工序不能顺利进行，因此，在下管前应将钻杆下入井内，并接近井底，用水泵将稀泥浆压入，自下而上逐渐替换内稠泥浆，同时应不断消除返出泥浆的岩屑，随时测试返出泥浆的粘度，如返出泥浆的粘度与稀泥浆的粘度相近，换浆工作即告完成。

3)校正孔深

换浆后，应精确丈量井孔深度，以保证准确地安装过滤器和井坚管。

4)检查、排列井管

依据所采用的土样，鉴别样和测试资料所显示的地层情况，对实管、滤管在地面进行准确丈量、排列、编号，使过滤器能设置在含水层的对应部位。对井壁管和过滤器的质量要进行认真的检查。

2.3.4 下管

由于粗骨料井一般较浅，在使用塑料井管、桥式滤水管时，可采用悬吊法一次下管即可。为使井管垂直下入孔底和防止井管碰撞井壁，在井管上每间隔6 m安装一组正管水，每组用铁丝绑扎3块。正管木长15 m两头锯成半楔形。井管最下边应设计沉淀管。准备工作做完后，就要开始下管。

2.3.5 填砾

采用静水填砾法，填砾的目的是在过滤器与井壁之间形成人工过滤蹭。将选好的滤料投入过滤器与井壁之间的环状间隙中，填砾时，应均匀地由井管四周填入，填入的速度不宜太快，以防滤料中途堵塞而出“搭桥”现象。当投入部分滤料后，由于滤料下沉，形成井管内外压力差，迫使井管内的泥浆外溢，此时填砾速度可稍快一些。

由于粗骨井需要在洗井时不断补充滤料，以充填井周围由于抽出的细颗粒所形成的空穴，因此在填砾时，应一直填到井口。

2.3.6 洗井

根据粗骨井原理，粗骨料井在成井后，需要自上而下地在每个含水层中大强度抽水洗井，逐渐抽出机井周围含水层中可以移动的细颗粒，机井周围形成空穴，滤料随之填充，并随抽随补充填充，直至填料稳定不再下沉为止。

洗井过程中，随着滤料的下沉填充含水层，将井壁泥浆破坏，在井孔外逐渐形成天然反滤层。洗井工作必须在下管、填砾后立即进行，以防止因停置时间过长，井壁泥皮硬化，不易破坏，造成洗井困难，影响水井的出水量。洗井工作必须延续到水清砂净后才能终止。

本次试验采用水泵洗井法，抽水洗井时，由于井水不断地被抽出，井内水位下降，含水层中的水位也发生变化而形成漏斗状，称为“下降漏斗”。此下降漏斗增大了含水层向井内集中的压力，因而增强了水流冲破井壁泥皮的力量。

在不段抽水的情况下，泥皮逐渐破坏含水层。含水层内的细小砂砾和渗入的泥浆便随水流一同进入井内而排出井外，直至水清砂净。粗骨料井的洗井应该是大强度，所谓的大强度，就是快速降低井管内的水位，使井管内外产生一定的水头差，在水头差的作用下，含水层中的水便以较高的渗透流速进入井管内，从而破坏孔壁泥皮，带出井孔周围含水层中渗入的泥浆和含水层中的细小颗粒，达到洗井的目的。

2.3.7 止水

在滤料下沉达到稳定后，井孔上部1～2 m范围内封闭止水。主要方法是:在井管周围开挖深度1～2 m的坑，填入粘土球或优质粘土块，边填边夯实，直至井口。上部最好铺设20 cm厚混凝土护面。