西北地区沙漠边缘细颗粒地层供水井施工方法

宋祥昌，刘海波

（甘肃省地矿局第四地质矿产勘查院，甘肃酒泉735000）

西北地区沙漠边缘细颗粒地层供水井施工方法

宋祥昌*，刘海波

（甘肃省地矿局第四地质矿产勘查院，甘肃酒泉735000）

西北地区沙漠边缘地带地层在100m深度内主要为第四系粉细砂颗粒地层，极松散未固结，对水文水井施工造成较大困难。针对钻探成井技术与工艺上存在的突出问题，通过采取优化施工方案、改进工艺方法、调整技术参数、增大反滤层厚度、调整泥浆性能、采用一级成孔等技术措施，取得了较好的技术经济效果。

西北地区；粉细砂颗粒地层；水文水井；施工方法

受有关单位委托，我院自20世纪90年代开始在甘肃西部库木塔格沙漠和新疆南部塔克拉玛干沙漠边缘地带承接并完成多项供水水文地质勘查项目，为农业灌溉、工矿企业施工供水井数百眼。鉴于沙漠边缘地带地下100m以浅地层主要为第四系粉细砂颗粒地层，前期施工阶段工艺技术很不成熟，施工的水井不是在成井前坍塌报废，就是成井后存在涌水量偏小、涌砂严重等问题，致使水井无法交付使用。后期施工阶段我们总结经验，开拓思路，通过调整泥浆性能、增大钻孔口径、优选成井材料、提高反滤层厚度等技术手段，较好地解决了在钻探技术和成井工艺上存在的突出问题，各项技术指标均达到国家现行技术规范要求，取得了满意的技术经济效果。

1　自然地理及水文地质条件

施工区地处内陆腹地，居亚洲干旱的中心地带，属典型的大陆性气候。地形平坦开阔，地貌多呈沙丘状。根据工程地质勘查资料，在该沙漠边缘地带，地层在地面以下100m深度内主要为第四系粉细砂，极松散未固结，地下水位埋藏深度一般在10m以内，含水层地下水主要来自雪山融化所形成的季节性河流的侧向补给，地下水水量相对丰富，但矿化度相对偏高，人畜饮水须选择优质水层并进行分层止水。

2　水文水井成井工艺分析

经客观分析和综合研究，前期施工阶段在施工技术和工艺上一般存在以下突出问题：

（1）对含水层特性和地层颗粒大小未进行系统研究和室内实验，滤水管外部用与地层不相匹配的纱网或直接用棕皮包扎，造成井内涌砂或涌水量减小；

（2）由于设备条件及工作思路的限制，所施工的水井成孔口径偏小，导致孔壁与井管之间的环状间隙偏小，形成的反滤层厚度及进水自由面不够，造成井内涌砂或涌水量减小；

（3）反滤层内填充的砾料规格和级配不合理，砾径偏大或大小不均，以及填砾过程中因操作不当导致砾料搭桥，造成井内涌砂；

（4）在成孔过程中因技术参数不合理导致孔斜或安装井管过程中焊接不直导致滤水管部位贴靠孔壁使过滤层变小甚至无过滤层，造成井内涌砂；

（5）滤水管（花管）与井壁管（实管）比例偏小或者技术规格不符合技术要求，主要表现在孔隙率偏低、缠丝间距不合适，造成涌水量减小；

（6）洗井工艺落后，操作不到位，井壁泥皮未荡涤清除干净，浸入含水层和反滤层的岩屑及泥浆颗粒不能有效排出而阻挡水路，致使进水路径不畅，造成涌水量减小；

（7）部分供水管井选择造价较低的水泥管在粉细砂颗粒地层成井，因其强度低、管接头密封性差，造成含砂量超标、事故率高甚至井孔报废；

（8）成孔过程中采用普通红土配制的泥浆无法有效护壁，或成孔后因成井材料不到位，停滞时间过长，造成孔壁坍塌，井孔报废。

3　施工工艺与技术方法的优化确定

针对钻探成井技术与工艺上存在的突出问题，经过认真分析和总结，在实践中优化施工方案、改进工艺方法、调整技术参数，取得了较好的技术效果，后期施工的供水管井均达到设计及规范要求。

3.1成孔工艺技术措施

（1）埋设孔口护筒：井孔定位后，人工开挖直径Ø1000mm、深度1.2m圆孔，然后下入直径Ø800mm、长度1.5m孔口护筒，其顶部高出地面150mm左右并焊制吊耳用铁丝固定于底梁，对应泥浆槽方向留一缺口，周围用粘土回填并分层夯实，以有效防止孔口周围区域的塌陷。

（2）调整泥浆性能：因沙漠边缘地带含水层为粉细砂颗粒地层，岩性松散且无胶结性，施工过程中极易造成孔壁坍塌，因此在成孔过程中必须采用大比重、高粘度的细分散型泥浆。造浆材料选用优质粘土（膨润土），并加入适当处理剂。我们在实际施工中所采用的泥浆配方及性能指标为：

澎润土：25%～30%；水：70%～75%；Na2CO3：3%；CMC：0.3%；NaOH：适量。备注：①CMC加量为泥浆重量比，Na2CO3加量为膨润土重量比；②NaOH起调节pH值作用；③膨润土需进行预水化处理30min以上。

比重：1.2～1.5；粘度（s）：20～25；胶体率：大于90%；失水量：小于20mL/min；pH值：8～9；含砂量：小于3%。

（3）保持压力平衡：施工中特别是在因故停待和提下钻过程中，采取泥浆回灌措施，始终使孔内泥浆液面和地面平行，防止泥浆液面下降，保持地面压力平衡，杜绝孔口坍塌失稳。

（4）采用一级成孔：井孔施工采用一级成孔的快捷方法，以缩短辅助时间及非正常停滞时间，降低坍塌几率，实现快速成孔。

（5）增大反滤层厚度：供水管井技术规范要求反滤层厚度不小于8～10cm，但在实际施工中我们认识到，粉细砂颗粒地层钻孔与井管之间的环状间隙填充砾料后形成的反滤层厚度必须达到15～20cm才能有效阻挡流沙涌入，起到阻砂透水的作用。因此施工中必须选择合理的孔径与管径，使其有足够的环状间隙。

（6）防止钻孔偏斜：为保证井孔圆整、垂直，孔斜度满足规范要求，施工中选用长度不小于6m的下部带肋骨合金钻头的筒状钻具，钻进中根据地层变化和进尺情况合理调整钻进参数。

3.2成井工艺技术措施

（1）施工准备工作：井管、砾料以及其它辅助材料、机具在开工前必须全部到位，井壁管和滤水管按顺序排列编号，滤网按设计要求包扎固定，以保证成孔后立即下管填砾，防止停滞时间过长导致钻孔坍塌及其它事故的发生。

（2）成井材料的选择：井管（包括井壁管和滤水管）一般选用钢质卷管或铸铁管，滤水管技术规格应以含水层取样颗粒分析结果为依据，一般缠丝间距以0.8～1.5mm为宜，且均匀平整，锡焊牢固，孔隙率要求大于25%。滤水管长度不小于井管总长的40%，井管底部之沉淀管长度一般为3～5m，其底端呈锥形且封口焊死。实践中我们认识到，滤水管孔隙率达不到要求，也是造成供水井涌水量减小、抽水降深增大的一个重要因素，因此在加工或购置滤水管时应严把质量关。

砾料作为反滤层填充材料，对水井涌水量和含砂量起着至关重要的作用。合理的规格和级配，既可以保证过水路径自由通畅，又能有效阻挡含水层粉细砂颗粒随水流涌入井内，起到阻砂透水的作用。经对各勘查区含水层取样进行筛分实验和模拟实验，确定适宜该类地层的合理的砾径大小为1～4mm，俗称“水洗砂”，满足砾径要求的砾石含量不得小于85%，滤水管外部的滤网选用60～80目尼龙纱网，叠次螺旋形包裹1～2层。

（3）工法要点：包括下管、填砾、洗井3个步骤：

第一步：井管安装。终孔后泥浆粘度由20～25s替换至18～20s，但不宜停滞时间过长，应立即进行下管作业。为保证下入孔内的井管周正、垂直且位于井孔中心，避免井管偏靠孔壁导致砾料分布不均而涌砂，一是井管特别是滤水管部位每隔5～6m（一般在单根井管的两端）焊制一组扶正器；二是井管在孔口对接过程中严格把关，精心操作，用吊线法或经纬仪控制井管的垂直度，上下井管中心调整到一条直线后再对焊牢固，缓缓下入。

第二步：砾料填充。井管按要求下入孔内后，即刻将钻杆从井管内下入井底，然后开泵送浆，待泥浆正常循环且将粘度替换至15～18s后，开始采用小泵量动水填砾。砾料由人工用铁锹铲入，不允许整车倾倒入孔。填砾过程中随时测量料面高度，砾料实际用量与理论用量应基本相符，允许误差不超过10%，严防砾料搭桥现象的发生。砾料理论用量：V=0.785（D2-d2）K（D为孔径，d为管径，K为超径系数）。

第三步：联合洗井。洗井过程要求方法得当，工序到位，干净彻底。实际施工中一般采用“活塞—空压机—提筒—水泵”联合洗井法，活塞抽吸破坏井壁泥皮拉实砾料，空压机震荡洗通水路。洗井作业应持续2个回次以上，达到水清砂净。洗井活塞选用胶质材料，要求形状规整，直径小于井管内径10～20mm为宜。洗井完毕后根据设计要求进行抽水试验工作，以测定涌水量及含砂量大小，含砂量按规范要求应小于0.2‰。

4　工程实例

由我院承担的新疆生产建设兵团农三师某团场供水水文地质勘查项目，设计施工农业灌溉井6眼。该团场位于塔克拉玛干沙漠西缘，叶尔羌河冲积平原下游，含水层为第四系粉细砂层，水位埋深5～8m。要求通过供水水文地质勘查，在团场北部100km2范围内圈定富水区域，并布设施工一定数量的农业灌溉井，满足日供水量15000m3/d以上的农田供水需要。因施工工艺合理，技术方法得当，故取得了较好的技术经济效果，为该团场后续农业综合开发提交了合格的水源地。

我们在充分研究以往区域水文地质资料基础上，适当布置物探剖面，进行地面物探工作，初步圈定富水地段。然后据此布设并施工了SK1和SK2计2眼探采结合井，其施工情况及完成的工作量如下：

SK1井：选用Ø560mm筒状肋骨钻头钻进，成孔平均直径（测孔仪实测）Ø580mm，钻孔深度120m，成孔后下入Ø377mm钢质卷管。滤水管打眼缠丝，长度36m（占井管总长的30%），孔隙率25%，缠丝间距1.5mm，表面叠次螺旋形包裹60目尼龙纱网2层。井管安装完毕后，在孔壁与井管之间的环状间隙内动水填充3-6mm砾料（俗称绿豆砂），形成的反滤层厚度约10mm，最后按技术要求洗井抽水。SK1井抽水试验结果为：单井涌水量140m3/h，抽水降深16.8 m，含砂量达0.35‰。下入120m3/h潜水电泵连续抽水，出水量基本稳定，但含砂量明显超标。

SK2井：鉴于SK1井抽水试验结果不甚理想，我们在SK2井施工中以提高反滤层厚度、改变砾料规格、增大过水断面和长度作为主攻方向和突破口，具体改进措施为：将筒状肋骨钻头外径增大至Ø680mm，成孔平均直径（测孔仪实测）达到Ø700mm，钻孔深度120m，成孔后下入Ø377mm钢质卷管。滤水管打眼缠丝，长度增加至48m（占井管总长的40%），孔隙率增大至35%，缠丝间距缩小至1.0mm，表面叠次螺旋形包裹60目尼龙纱网1层。井管安装完毕后，在孔壁与井管之间的环状间隙内动水填充1～4mm砾料（俗称水洗砂），形成的反滤层厚度达到16mm，最后按技术要求洗井抽水。SK2井抽水试验结果为：单井涌水量达220m3/h，抽水降深仅为10.2m，含砂量降低至0.1‰。下入200m3/h潜水电泵连续抽水，出水量稳定，达到了水清砂净的目的。

在成功施工SK2井的基础上，我们在富水地段又布设施工了4眼供水井，下入扬程25m、出水量200m3/h的潜水电泵，经群组机电井连续开泵运行，各项技术指标完全满足规范要求，6眼供水井日供水量达到20000m3/d以上。

[1]GB50027-2001供水水文地质勘察规范[S].2001.

[2]GB50296-99供水管井技术规范[S].1999.

[3]李丰德,李娟.奇台县井灌区机电井报废率逐年增高的原因及对策建议[J].地下水,2007（1）.

[4]秦福刚,李磊.松散层水源井成井工艺研究[J].地下水,2007（5）.

P634.5

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1004-5716(2015)07-0045-03

2014-07-30

宋祥昌（1971-），男（汉族），甘肃临泽人，工程师，现从事探矿工程技术与管理工作。