水文孔同径抽水试验止水方法研究

2015-12-02王海军

地下水 2015年5期

王海军

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710054)

在煤田地质、水文地质勘探过程中如何顺利进行同径抽水试验是地质技术人员棘手的一件事情，虽然同径止水试验在钻探工艺上较为简单，但是在止水试验操作工艺上有其复杂性，当遇到抽水试验段胶结松散需要下花管进行护壁时，这一问题显得更为突出，目前常用的止水工艺主要是采用变径连接人为制造台阶达到上下段分离止水［1-4］，其二是下入特制的止水器进行止水［5-8］。变径连接存在安全隐患，尤其是在抽水试验设备及流量测井仪器下入和提升通过该段是这一问题显的更为突出，特制止水器的应用对操作人员及设计人员要求较高，操作难度大，不具有普遍适应性。因此如何选择简单、高效的止水施工工艺，是同径抽水试验成功的关键，目前同径止水有三种工艺即同径直接止水和同径套管与花管连接止水、分离止水，文中详细介绍较为少见的同径套管、花管分离止水工艺。

1 常用止水方法

水文地质钻探经过几十年的发展，随着新的技术、新的材料的出现，止水方法不断的发展，按照不同的分类方法可以分为以下几种:

按照止水材料类型划分:海带止水、止水胶带止水、粘土止水、桐油止水、沥青止水、水泥及水玻璃止水、膨胀条及橡胶止水等［1］;

按照止水器的不同划分:提拉压缩式止水器、支撑管式止水器、胶囊止水器、封隔器及托盘止水器等［6-8］;

按照下入止水套管与否划分:套管止水、无套管水泥止水等;

按照止水位置孔径划分:同径止水和异径止水。

以上各种止水方法都有自己的优缺点及适应条件，应根据实际情况合理选择。但是不论采用何种材料、止水器对在成孔的工艺要求无异乎同径和异径两种。这两种工艺中异径止水是水文技术人员经常使用的，也是传统的方法之一，具体的施工工艺相关规范及文献中都有详细得到介绍，文中不在重复。

2 同径止水试验模型

根据同径抽水试验是否下入花管、花管与套管的连接关系，将其分为以下三种模型:同径直接止水(图1(A))、同径套管花管连接止水(图1(B))以及同径套管于花管分离止水(图1(C))。其中前两种工艺在相关文献中有详细的介绍，重点介绍同径套管与花管分离止水施工工艺以及该工艺的优缺点、存在的问题和施工过程中应当把握的关键环节。

图1 同径止水试验模型

2.1 施工工艺

在完成地质钻探任务后，地质人员对钻孔的岩性、孔径以及RQD等有了初步的了解，对于抽水试验段孔壁完整的钻孔而言，可以选择裸眼抽水，而当抽水试验段孔壁完整性差，需要下入花管护壁时，技术人员将面临花管与套管分离(图1-C)还是连接的工艺选择(图1-B)。同径花管与套管分离止水是首先下入套管，之后下入护壁套管从而完成止水，具体施工工艺如下(图2):

图2 同径花管与套管分离止水试验工艺

(1)成孔:按照地质设计对钻孔取芯、孔径、深度、层位、钻井液等要求完成成孔任务;

(2)地球物理测井:按照地质人员的要求完成地球物理测井，取得第一手的地质资料;结合钻探资料分析含水层的位置、性质、孔径变化等;确定下管的位置深度、长度等参数;

(3)通孔:在下管之前首先必须进行通孔，保证后续下管的顺利进行;

(4)下管:用反丝钻具将花管下入到预定深度后起钻(图2(A));

(5)架桥:在花管的顶部入架桥物(图2(B))，如木塞、草把等，将黄泥球投入到桥的顶部然后用钻具反复敦实或注入计算搅拌好的水泥量，要求高度3～5 m(图2(C));

(6)下管:架桥合格后下入止水套管(图2(D));

(7)扫孔:用钻具将花管与套管连接长1～2 m的木塞导向扫至设计位置;

(8)止水:在下入套管前在套管壁上预留小眼，注入一定量的水泥浆，使其在环状间隙内达到预定的高度，待水泥的凝固(图2(E));

(9)止水效果检查:待4～6小时后水泥初凝，在管内注满水，观测水位变化，检查套管的密闭性(图2(E));满足要求后再次透孔，透至套管底部0.50左右再次灌满水检查液面的变化，检查套管底部的密闭性(图2(F));

(10)透孔:止水效果检查合格后将所架桥用钻具透开，进行下一阶段施工(图2(G))。

2.2 优缺点及存在的问题

2.2.1 止水工艺优点

(1)花管的下入其一保证了抽水试验的顺利进行，其二花管的下入可以避免在抽水井附近由于水位降深而引起垂直水流分量，尤其是在对非完整井进行抽水试验时可以避免对其的修正;

(2)与传统的异径止水相比较。同径止水在成孔的工艺上可以减少对钻孔的扩孔工序，大大减少了施工费用和缩短了工期;

(3)与同径套管与花管连接止水工艺相比较，该工艺在止水效率方面更高，可以实现快速，高效止水，同时多数同径套管花管连接止水工艺是在选择孔径变径，只是套管与花管同径，其实质是在套管或者花管外人为的制造止水台阶后进行止水，且在相同的条件下止水效果的检查具有一定的难度，尤其是对止水台阶的检查;

(4)容易起拔，不受孔内具体位置限制。

2.2.2 存在问题

(1)该工艺对钻孔质量孔斜要求较高，要求花管与套管在分离下入钻孔后两者的衔接部位孔壁完整性较好，架桥段孔径较为规则，两者的中心线相差不大，必须保证后续施工如钻具、水泵、测管以及流量探管在衔接部位顺利的通过;

(2)对于潜水区如果地下水位低于止水位置，套管与花管连接段衔接偏差大，则有为后续施工埋下安全隐患，如果对于承压含水层进行抽水试验，其水头高度高于止水位置高度，即时二者有偏差，仍然可以保证后续施工顺利进行。

(3)适用于沉积岩区基岩止水，且止水段或者抽水试验段与上部止水段岩层相对比较完整的地区效果较好，而对于破碎带以及松散岩层还有待于进一步探讨和实践。

2.3 施工的关键环节

该工艺的成功与否在于对关键环节的把握，主要的关键环节有以下几个方面:

(1)架桥段的选择:根据钻探岩性、测井物性反映以及井径资料等综合判定选择岩性坚硬、井壁较完整、井径规则的井段为架桥段;

(2)在下入花管和套管的外壁上必须焊接扶正肋条，保证分离的套管与下部的花管中轴线基本吻合，尤其是下入花管的顶部和套管的底部;

(3)套管与花管的距离即架桥段不宜太大，应该控制在0.5m左右为宜;

(4)在进行洗孔及抽水试验之前一定要确保下入架桥物质完全被扫除或沉入孔底，方可进行下一步操作。

3 应用效果

3.1 实例1-陕西侏罗纪煤田永陇矿区煤炭勘查应用

2009～2014年期间我单位在永陇矿区相继承担了多个勘查区的水文地质勘探，钻孔自下而上揭露地层为三叠砂岩段、延安组砂岩夹煤层含水层段、直罗组砂岩含水层段、安定组泥岩段夹砂岩隔水层段、宜君组和洛河组砾岩含水层段，其中延安组、直罗组是区内的直接充水含水层段即主要抽水试验段;钻孔深度为550 m～1250 m，所有钻孔均揭露完整的侏罗系煤系地层。

延安组以砂岩夹泥岩、煤层为主，其顶部发育一套杂色泥岩具有遇水膨胀，岩体质量差，岩石破碎极易风化;直罗组岩性以砂岩为主，泥质胶结、固结程度差，尤其是在直罗组的底部普遍发育有一套厚层状砂岩，遇水易崩解，软化性强耐水性差，俗称“豆腐渣”砂岩。

为了提高勘探的效率加快煤炭资源勘探的步伐，根据不同地质条件采用了三种同径抽水试验模型顺利完成了多个水文孔的抽水试验。尤其是利用花管与套管的分离止水和连接止水工艺对直罗组、延安组混合抽水钻孔的成功应用，为搞清工区延安组、直罗组水文地质参数为评价含水层富水性、计算矿井涌水量第一手资料(见表1)。

3.2 实例2-南方某矿井井筒检查孔施工

2011年我单位在南方某省承担了某矿井井筒检查孔5个井筒检查孔，钻遇地层自下而上有煤系龙潭组，长兴组、卡以头组、飞仙关组(一、二、三、四段)，和永宁镇组。其中永宁镇组以灰岩为主夹泥灰岩及泥岩薄层，飞仙关组以砂岩为主，卡以头组以泥岩为主夹、长兴组以砂岩为主、龙潭组以砂岩夹煤、泥岩为主。

表1 钻孔抽水试验参数成果表

表2 钻孔抽水试验参数成果表

钻孔落点在12号煤层底板，深度为752.00 m，未揭露底部的峨眉山组，为非完整井采用非完整井稳定流抽水试验;其中12煤层为主力煤层，厚度12.97 m，为构造煤粉煤，顶底板以泥岩为主，其中钻遇一条逆断层，在钻探过程中漏失严重，钻后涌水。为顺利完成抽水试验获取水文地质参数，设计下入花管至12煤层的底735 m至止水试验段底部535 m，含水层厚度72.18 m;为了保证煤层及断层破碎带对钻孔抽水试验的影响，下入108 mm花管上部为同径套管，采用上述工艺进行止水并获取了如下表2水文地质参数，为矿井开采提供参考。