CMT管监测井在北京地区的应用

张建良

（北京市地质工程勘察院，北京100048）

·地质与矿业工程·

CMT管监测井在北京地区的应用

张建良*

（北京市地质工程勘察院，北京100048）

CMT管监测井从国外引入，但国外的地层与国内不同，因此没有经验可借鉴，通过认真分析，制定了4套技术方案，最终将CMT管监测井试验成功，解决了孔壁坍塌和洗井难的问题，为今后CMT管监测井在国内的推广奠定了良好的基础。

CMT管；孔壁坍塌；洗井

随着地下水污染的日益严重，现在急需了解不同的含水层的水文地质条件，包括水质、水位、水量等。以往的惯例施工多眼监测井，不同的深度，分别对应不同的含水层，这样就能监测不同含水层的水文地质情况，这种做法施工工艺简单、风险小、数据准确，缺点是造价高、占用的地方大，如果在城市，许多地方没有施工场地，并且寸土寸金，占地补偿也相当高，为此现在开始推广“一孔多管”的施工工艺，即将施工口径加大，同一个孔可以下入3个不同深度的井管，分别对应不同的含水层，这样在同一井内，可以达到监测3个含水层的目的，减少了占地面积，减低了成本。国外一些地方开始推广使用CMT管监测井，一个孔内只下一根CMT管，就可以监测7个含水层的情况，这样占地面积更少，可同时检测7个含水层的地下水情况，这将是今后监测井的发展方向。

1 CMT管概况

CMT是Continuous Multichannel Tubing的英文首字母缩写，翻译成中文是连续多通道管，它最早从加拿大引进，它的外形很像一个莲藕，中间有一个通道，四周有环绕的6个通道，各通道直接互不相连，一根CMT管可以监测7个不同含水层的水文地质情况。

CMT管监测井在北京还没有施工的先例，因此没有经验可以借鉴，我们想通过实验，进一步推广和使用CMT管监测井。

2 工程概况

我们计划施工7眼CMT管监测井，施工的地点选择北京通州区张家湾。具体设计方案如图1所示。

图1 CMT监测井设计方案

CMT管监测井共施工7眼，分成3排，第一排1眼，第二、三排都是3眼，井位之间的横向和竖向间距都为1m，每眼井的设计深度为35m，下入的CMT管外径为2英寸，即50mm。在CMT管监测井的左右1m处分别施工注水井和抽水井各1眼。其中注水井和抽水井采用PVC管，外径4英寸，即100mm，全孔滤水管。

施工完成后，通过注水井向井内注入试验用水，然后在抽水井中下入水泵进行抽水，在这同时要检测7眼CMT监测井的不同含水层的水文地质情况，进行科学研究地层情况。

3 施工方案选择

在讨论技术方案时，必须解决2个问题，一是孔壁坍塌问题，二是洗井问题，这2个都很关键，其中有一个出问题，就会前功尽弃。

3.1 孔壁坍塌问题

监测井施工完成后，要立刻下入CMT管，由于CMT管分7层监测，每5m监测一个地层，因此需要分段填入砾料，每层砾料之间用粘土球止水。填砾和粘土球止水的位置很重要，要求不能有任何差错，因此在填砾和填粘土球过程中，需要边填边测量，即使一小段，也要测几次，才能保证位置准确无误，因此时间就比较长，因此裸眼长时间放置可能造成孔壁坍塌，从而造成该井报废。因此在施工方案选择上，必须考虑如何防止孔壁坍塌的问题。

3.2 洗井问题

如果采用泥浆正循环钻进，泥浆可以保证井壁不坍塌，泥浆会堵塞含水层，CMT管的内径很小，不能采用常规的洗井工艺，因此洗井是个大问题。按照国外的施工要求，所说的洗井不是安装CMT井管之后的洗井，因为CMT井管的筛孔很小，根本不足以执行“洗井”操作。所谓的洗井指的是CMT安装之前对裸孔或有筛管护壁的钻孔进行抽水的过程。这个过程非常重要，因为如果不在此阶段将反循环钻进中形成的泥皮洗净或基本洗净的话，CMT系统将会很快堵塞，很难成功。

如果监测井施工完成后，先洗井后下入CMT管，会造成井壁坍塌问题；如果不洗井，直接下CMT管，又会造成洗井不彻底，这是很矛盾的，因此洗井步骤是关系到CMT安装成败的关键步骤。

3.3 钻机选择

在国外施工CMT监测井时，一般采用声波地质钻机，价格比较昂贵，国内一般单位没有这种钻机，因此我们这次施工时，尽可能采用国内现有的钻探设备。

3.4 施工技术方案

我们共制定了4套技术方案，邀请了一些专家进行了反复技术论证，最后确定切实可行、经济合理的技术方案。

方案一：使用Ø250mm的钻头，下入Ø150mm的筛管，在管外按照设计要求，分层填砾止水，洗井至水清砂净，然后在PVC管内下入Ø50mm的CMT管，再分层填砾止水。按照这个方案，筛管外和CMT管外将分别有50mm左右的空间进行止水操作。

方案二：在打井时下一根直径接近孔径的筛管，这样周围的地质体塌孔后可自然附着在筛管外壁，这样的情况下筛管外壁不需要填料，垂向上基本可以保持原有的水力特性，同时也可以顺利洗井。

方案三：采用勘察钻机，施工口径Ø108mm，用Ø127mm跟管钻进，下入保护套管，在保护管内下入50mm的CMT管，填入一定深度的砾料和粘土球后，拔出保护套管，边填边拔管，全部套管拔出后即可完井。

方案四：采用泵吸反循环施工工艺，成井后立刻下入CMT管，分层填砾止水，由于是反循环施工，不存在泥浆堵塞含水层的情况，洗井比较容易。

经过综合考虑，得出以下结论：方案一存在的问题：按照国家规范要求，钻孔直径比滤水管直径至少要大150～200mm，主要是考虑砾料厚度，如果砾料厚度太薄，起不到隔砂效果，孔内会进沙子，用不了多久，进入井内的沉沙会堵塞滤水管，造成不出水现象，另外一个原因先洗井会扰动地层。方案二存在的问题：垂向上没有止水，可能造成上下含水层之间的流通，影响试验数据的准确性。决定首先采用方案三，如果方案三在施工过程中出现问题，那就采用方案四。

4 施工工艺

4.1 方案三的施工工艺

2011年5月12日，设备进场施工，采用的是SH-30型钻机，张家湾的地层以砂层、粉细砂为主，采用Ø108mm钻头，跟管采用Ø127mm的套管，施工井深为36m，下入Ø50mm的CMT管，然后填入砾料和粘土球。由于Ø127mm的壁厚为5.5mm，内径为116mm，和50mm的CMT管之间的环状间隙只有33mm，已经很小了，因此砾料采用2～4mm的小砾料，粘土球采用特制的直径为Ø10mm、长度为20mm的颗粒粘土球。

考虑到洗井问题，将入井的砾料全部经过水洗干净后才投入井内，这样就去除砾料内的细砂，保证进入监测井内的水中含砂量更低，缩短洗井时间。

当粘土球填至23m处，由于环状间隙太小，造成粘土球蓬住，经反复敲打、冲水，处理无效，只好停止处理。准备上提CMT管时，发现已经提不动，用钢丝绳用力拉，将CMT管拉断，造成该井报废，损失了35米CMT管。通过这次试验，证明采用勘察钻机施工的方案三有缺陷，行不通，只能采用方案四，即采用泵吸反循环施工工艺。

4.2 方案四的泵吸反循环施工工艺

由于该孔比较浅，采用泵吸反循环工艺没有问题，但是泵吸反循环存在超径系数大问题，需要解决的问题：一是将反循环钻头改小，由于受反循环钻杆限制，最小只能到Ø300mm。二是在施工过程采用跳跃式、间隔式施工，即施工完2#施工4#。三是为了更加稳妥，将原设计方案中的每眼监测井间隔由1m改成2m，这样保险系数更大，经和设计人员商量，最终更改了每眼井的横向和竖向间距，全部由1m改成了2m。四是如何防止孔坍塌问题，由于泵吸反循环采用清水施工，地层又是砂层和粉细砂，极易塌孔。我们在现场准备了足够的水源，保证施工过程中，孔内的液面始终是满的，平衡了地层压力，保证了孔壁不坍塌。施工钻机采用反循环-100型钻机。

施工过程中很顺利，由于各细节考虑周到，没有发生孔坍塌问题，在填砾料和粘土球过程中，缓慢从四周均匀填入，也没有发生堵塞现象。

洗井分2步，一是采用空压机洗井，将孔内的粉细砂吹净；二是采用水泵进行抽水，达到水清砂净的效果。

由于CMT管外径为50mm，分7个孔，每个孔的直径不超过15mm，不能使用大型空压机，只能采用小型设备，我们采用DB-1/30型空气压缩机来洗井，风量1.0m3/min，风压为3.0MPa，用Ø10mm的塑料软管分别插入7个孔内进行单独洗井，将孔内的细砂吹出。塑料软管必须是整根的，中间不能有接口，防止在起拔过程中，塑料软管从接头处打开，影响该孔的今后使用，例如下测线、取水样等。由于塑料软管比较轻，因此在刚开始送风时，用手柄控制压风机风量，不能太大，以免将洗井软管吹出，在洗井过程中逐渐增加风量，根据实际具体情况，随时进行调整。

考虑到CMT管有7个孔，一个个的洗，比较耽误时间，因此将空压机的出风口接了个三通，连接了3根塑料软管，这样一次就可以洗3个孔了，节约了时间。另外在洗井过程中，将不洗的孔盖好，防止上来的脏水进入其他孔内，造成二次污染，增加不必要的工作量。

在洗井过程中，出现了新问题，发现有的孔含泥沙比较多，压风机洗井吹不上来，后来采用水冲反洗法，也就是在地面用高压水通过塑料软管，往井内注水，使孔内的泥沙随高压水注入地层，然后再改用空压机洗井，效果相当不错。

每个孔洗完后，在地面安装小型自吸泵，将Ø50mm的CMT管的7个通道，每个都分别和自吸泵的吸水口进行连接，这样就保证7个孔都进行了水泵洗井，最后达到设计要求，水清砂净。

5 结语

通过对北京通州张家湾CMT监测井的成功施工，为CMT管的推广积累了经验，奠定了基础，但是张家湾地区水位一般在5m左右，比较浅，地层以细砂、粉细砂为主，施工比较容易，如果在其他地区，水位较深，地层复杂，施工难度大，那么施工CMT监测井还需要进一步研究。

[1] 张建良.通州张家湾监测井成井报告[R].北京市地质工程勘察院，2011.

图1 青杠坪段zk22-4破碎带岩芯照片

（1）对于孔壁稳定性问题，应根据钻遇地层孔壁失稳的机理制定相应的技术措施才能达到稳定孔壁的目的。针对硬脆碎地层孔壁不稳定，应降低失水量减小孔隙压力，增加泥浆的封堵性能和孔壁岩体的胶结能力。

（2）从攀西火山岩的特点出发，分析了其在断层破碎带地层的不稳定因素，从降低泥浆滤失量、增加泥浆封堵能力和增加泥浆的胶结能力三方面出发，解决了硬脆碎地层由于液体的进入造成孔隙压力上升效应力下降、减小了液体进入不稳定孔段，增大了破碎孔壁岩体之间的胶结力，从而达到了稳定孔壁的目的，对类似的地层孔壁稳定提供了借鉴意义。

参考文献：

[1]鄢捷年.钻井液工艺学[M].北京：中国石油大学出版社，2013.

[2] 首照兵.攀西钒钛磁铁矿整装勘查复杂地层钻探护壁堵漏技术[J].探矿工程，2012.

[3] 周美夫.攀西地区层状辉长岩体及钒钛磁铁矿床的成因[J].岩石矿物学，2005.

TE271

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1004-5716(2015)02-0081-03

2014-03-14

2014-03-17

张建良（1971-），男（汉族），河北高邑人，高级工程师，现从事水文水井、地热井钻探新工艺、新技术研发工作。