砂卵石地层成井工艺探讨

2014-09-18张俊学

地下水 2014年1期

张俊学

(山西省新绛县水利水保局，山西新绛043100)

随着城市和新农村建设步伐的进一步加快，解决城市集中供水水源和边远贫困山区安全饮水是近几年来水利工作的中心任务之一。在我国北方边山丘陵区，山前洪积扇砂卵石地层中地下水源都较为丰富，但因埋藏深，施工难度大，成井率较低，浪费了大量的人力和物力，水源工程建设达不到预期的目的，现结合石门峪井灌区的建设经验对砂卵石地层的成井工艺进行初步探讨。

1 石门峪井灌区的地质地貌条件及地下水贮存特点

石门峪井灌区地处吕梁山前洪积扇之上，区内冲沟发育，地形破碎，地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜，海拔高程620～470 m之间，自然坡度上陡下缓，一般上部约30‰，下部约23.3‰，地下水贮存公布于第四系上部的中更新统和下更新统砂卵石地层中，在200 m深度内含水层共有8～3层，厚约80～55 m，单井涌水量为140～80 m3/h，沿洪积扇中轴方向由上往下厚度逐渐变薄，颗粒由粗大砂卵石向小砂砾石变化，出水量也相对减小，地下水补给以吕梁山区的降雨入渗为主，动态变化受降雨频率影响变化较大，水位埋深介于140～60 m之间。

2 钻机类型选择

选择钻机主要依据以下几个原则:钻孔目的、含水层岩性、硬度、钻孔口径、深度要求、水位埋深、出水量、施工条件等。

前已述及，洪积扇地区含水层岩性以石灰岩组成的砂砾石、砂卵石为主，属六类地层，按设计要求，开孔直径650 mm，终孔直径不小于600 mm，孔深160～200 m，单井出水量为80～180 m3/h。根据目前通常使用的钻井设备，比较冲击钻CZ22型、CZ30型、回转钻机水—300的性能后，用CZ30型冲击钻施工，其优点是结构简单操作灵活、钻井深度可达250 m以上，在卵石层中钻进效果十分明显，尤其是粗大卵石和漂石地层。

3 成井工艺要求

3.1 钻井技术要求

由于砂卵石地层变化较大，在施工中给井孔垂直、圆滑度、塌孔等带来许多问题，为保证工程质量，应采取以下措施。

1)钻头勤补焊、保持两边一样长。

2)冲击钻头大小角比例适中、大角比小角长30～40 mm，同时可加快钻进速度。

3)用十字交会法经常检查是否孔斜。其

方法如图1所示，O为井孔中心，A—A1、B－B1是通过井孔中心的四个基本点，用AA1、BB1两根绳子的交点是否与纲丝绳紧挨，判断是否孔斜及方向，两点重合则孔直，若偏离O点至O1时，说明井孔偏向B点一方，同样方法可检查其它方向的孔斜。若孔斜超出3°/100 m的技术要求，要进行校正，其方法是及时回填砖块、小砾石至孔斜段上部3～5 m后，放缓钻进速度可校正孔斜。

图1

4)清水钻进，泥浆辅助

为了防止塌孔顺利钻进，在钻进过程中采用“清水钻进，泥浆辅助的办法，取得了较好的效果。石门峪洪积扇地层以粗大砂卵石、砂砾石为主、结构疏松易坍塌，并夹有薄层粘土，但粘土质量较差，单靠自造泥浆钻进确有困难，所以在粘土类地层中钻进时，采用清水钻进，而在砂卵石、砂砾石地层中钻进时，要把搅拌好的泥浆送到予定位置，稠度用野外测试法控制在17～18s(用手指醮少许泥浆，以显见指纹为宜)，该段地层过后，用抽泥筒抽泥并补充清水，最大限度地减少泥浆对含水层渗透能力的影响，保证井的出水量。

3.2 井管、滤料技术要求

井管和滤料是成井中的关键部分。根据井灌区设计要求，施工中开孔直径650 mm，终孔直径不小于600 mm，采用井管直径为402 mm，井管力学性质:见附表1。从表看出，井管和孔壁之间环状间隙介于99～124 mm，满足滤水层70～120 mm的技术要求，这样，即可增加井的过水断面，加大出水量，又可使水流影响范围内含水层中的小颗粒向井内运动时在滤料层被阻挡，不致造成涌砂现象。

目前，由于井管的材料和过滤器的结构不同，其类型较多。从管材分:有水泥管、铸铁管、钢管、钢筋砼管等;从滤水管的结构分，有缠丝过滤器、填砾过滤器、包网过滤品等。尽管类型多，但各有优缺点和适用条件，根据石门峪井灌区的成井情况分析，普通水泥管抗压、抗拉强度低，孔隙率小使得成井深度受限制或出水量不足。

表1 钢筋砼管基本情况一览表单位:m、mm、%

而铸铁管、钢管虽然抗拉、抗压强度、孔隙率都较好，但成本太高，不具有普遍性。钢筋砼井管、缠丝过滤器具有以下特点:

1)投资省，寿命长。目前市场上钢筋砼井管价格60元/m，缠丝过滤器80～100元/m，同325 mm钢管(220～240元/m)相比，可节省投资50%以上，从使用寿命分析，钢筋砼管耐腐蚀、而且进水孔周围不易生成锈垢、影响出水量。

2)钢筋砼管进水孔采用条状结构，并增设导水槽，可降低对水的阻力，提高了渗透效率，增加出水量。

3)砂卵石地层中，细颗粒的成份较少，采用缠丝过滤器既可增加井管的抗压强度、同时可增大井的出水量，缠丝间隙为1.5～2.0 mm。

井管全部下入孔内后，井管和井壁之间的环状间隙中要填上滤料，在井管周围形成一个良好的人工反滤层，起到挡砂滤水的作用，应选用磨园度较好的天然滤料，其规格根据含水层颗粒大小来决定。表2是4、5、9、15四个井的含水层筛分结果。从表2和附表3比较，所取土样分析结果与含水层一致，可做为填滤料的依据。筛分结果表明，含水层均以卵石、砾石为主、占到85%以上，砂类含水层中以粗砂为主，考虑到取材方便经济，选用当地5～15 mm的天然混合料做为滤料。

3.3 下管、填滤料、洗井及抽水试验

钻孔终止后，为防止塌孔和井壁上泥皮牢固，在短时间内下入井管后进行洗井、抽水试验等工作。

1)下管前用验孔器进行验孔，测量井孔的垂直和园滑情况，以保证顺利下入井管。同时由于钻井过程中部分含水层使用了泥浆，为减少洗井工作，要进行破壁处理，方法是用近似口径的放射状钢丝划破之后压入清水，排出稠泥浆。

井管的自重量大，为防井管断裂，我们采用托盘法和悬吊法结合一次性下入井管，并在井管外每隔30～40 m安装一套扶正器，使井管中心不偏，环状间隙均匀。

表2 石门峪井灌区深井地层筛分结果单位:m、mm、g、%

表3 石门峪井灌区成井基本情况一览表单位:m、mm、m3/h

2)准备好足量混合均匀的滤料后开始填料，因井管周围的环状间隙较大，所以采用人工连续、快速、均匀的投砾方法，速度控制在15～30 m3/h之间，避免了因砾料大小不同，在下落过程中由于速度差异而造成的分选，保证了滤料在地面的混合比。为防止滤料在环状间隙中产生“悬棚”现象，可用测绳不断测量填料高度，同时用提筒在井内上下活动，在水流冲击波作用下使滤料密实，高度填至水位以上30～40 m，剩余部分用粘土层进行封闭。

3)洗井的目的是清除井内泥浆，破坏井壁上的泥皮，抽出含水层中的细粒物质，疏通含水层、增加透水能力和出水量。洗井依次用常规的提筒、空压机洗井洗井，时间不少于8 h。

4)抽水试验是检查洗井效果和成井质量好坏的唯一方式，其抽水强度大，延续时间长、能反映含水层和成井的真实性，所以，当空压机洗到水清砂净时，下入潜水泵做抽水试验。连续抽水12～24 h后，水位上下波动小于0.03 m，动水位基本稳定后，测量水位和涌水量，结果见附表3。试验结果表明，实际出水量均大于设计出水量，成井质量良好，达到了预期目的。