一孔多层抽水试验分层止水技术及应用

赵宗昌，邹海江，李鹏飞

(陕西省煤层气公司天宇地质研究院，陕西 西安 710065)

一孔多层抽水试验分层止水技术及应用

赵宗昌，邹海江，李鹏飞

(陕西省煤层气公司天宇地质研究院，陕西 西安 710065)

[摘要]在煤炭资源的勘探和采掘过程中，必须查明对煤层开采有充水意义的含水层(体)的分布特征及富水性，因此，对各充水含水层进行分层抽水试验具有十分重要的意义。以白水煤矿检4井筒检查孔抽水实验为例，采用改进的分层抽水试验技术，获取不同含水层的水文地质参数和水质情况，旨在一个水文地质钻孔中了解不同深度含水层组的水文地质特征，以达到减少施工钻孔、缩短施工工期、节约施工费用的目的。

[关键词]分层抽水；水文地质；白水煤矿；分层止水

分层抽水是水文地质工作中经常使用的技术手段，特别是不同的含水层其水位、水质以及各种水文地质参数均不相同，而目前没有很好的方法或装置能够简易快速地对同一井孔内上下层位的含水层进行水文地质试验。白水煤矿位于陕西省白水县(蒲白矿区中东部)，经几十年的生产，加之小煤窑开采破坏，目前已面临煤炭资源枯竭。为了增强矿区生产保障能力，通过对白水煤矿检查孔施工，为矿井建设提供可靠的地质、工程地质、水文地质资料。分层抽水施工是检查孔施工中一个重要的内容。本次采用一孔多层抽水试验分层止水技术，关键技术包括变更抽水顺序，改变止水工艺，使用新型止水材料等，经过多次验证及此次井筒检查孔的抽水试验的成功经验，证明了这种方法的可行性、先进性。

1抽水试验中存在的问题

按常规方法，分层抽水只能由上到下顺序进行，施工工序如下：(1)首先小径揭露到最上一层含水层底板停止；(2)进行常规测井；(3)扩孔；(4)下套管护壁(保护黄土层及基岩强风化带段孔壁)；(5)洗孔并对试验段进行抽水；(6)水文测井。第一含水层组抽水试验结束后小径继续钻进至第二含水层组底板停止，进行如下施工工序，完成对第二含水层组的抽水试验：(1)小径揭露到含水层底板停止；(2)进行常规测井；(3)扩孔；(4)下止水管对试验段以上含水层隔离止水；(5)检查止水效果；(6)止水合格后洗孔并对试验段进行抽水；(7)水文测井；(8)起拔止水套管。第二含水层组抽水试验结束后小径继续钻进至终孔，重复上述8项工作，完成对第三含水层组的抽水试验。

目前抽水试验存在的问题：

(1)止水难度大、效果较差；(2)施工工序复杂，测井次数多，工期长；(3)当止水位置较深时，由于止水管和孔壁间隙小，如有掉块或缩径现象发生，止水管将难以拔出，造成孔内事故，延长工期，严重时可使钻孔报废。

2一孔多层抽水试验分层止水的关键技术及创新点

2.1关键技术

针对现有技术存在的问题，在设备能力有限的情况下，对白水煤矿检4号井筒检查孔进行的三次抽水试验作了以下改进和尝试：

2.1.1抽水顺序变更

第一含水层组为孙家沟组，底深207.93 m，其上、中部呈疏干状态，仅下部含水；上覆黄土层和基岩强风化带下有Φ245 mm套管护壁，因此，抽水试验时不需要再下止水管；抽水试验较简单，不会对其下工序产生不利影响，所以在钻到第一含水层组底界时停钻，进行第一次抽水试验。

第二含水层组为上石盒子组地层，由207.93 m起，至460.19 m止，含裂隙承压水。抽水试验前应下止水套管对孙家沟组(第一含水层组)进行隔离止水，一旦止水套管与孔壁间发生掉块或缩径现象，止水套管将难以拔出，轻则造成孔内事故，延长施工期，增加施工费用；重则致使后续施工无法进行，形成废孔，需移位另打。

针对此种情况，我们采取了变更抽水顺序的措施来应对，取得了令人满意的效果。具体措施如下：

用小径(Φ133 mm)直接钻至终孔，常规测井后扩孔至上石盒子组(第二含水层组)底界，下Φ180 mm套管(外焊止水托盘)对孙家沟组含水层进行隔离止水；由于上石盒子组地层较破碎且泥岩较多，故对第二含水层组下Φ180 mm花管，这样做既保护了井壁，又能保证在对上石盒子组进行抽水试验时含水层水能够顺利进入孔内，还为下一步工作的顺利开展创造了条件。

对下部两含水层组的抽水试验采用先下后上的原则。首先对二叠系下统下石盒子组和山西组(第三含水层组)进行抽水试验，利用Φ60 mm钻杆既做出水管，又兼做止水管(Φ60 mm钻杆和测管外部焊接一个环状可压缩止水器)对上石盒子组隔离止水，这样做既节省了套管、节约了时间，又克服了孔径与止水套管间隙小的缺点；由于止水位置以上有Φ180 mm花管护壁，从而确保了止水器、钻杆及抽水设备能够顺利从孔中拔出。钻孔结构见图1。

抽水试验结束后，用水泥浆对第三含水层组进行封闭，然后对第二含水层组进行抽水试验。

2.1.2止水环状可压缩止水器的设计及应用

在进行第三层组抽水试验时，利用Φ60 mm钻杆(出水管)外焊接环状可压缩止水器对其上覆含水层进行隔离止水。

图1　钻孔结构

图2　环状可压缩止水器

环状可压缩止水器详见图2。环状可压缩止水器长1 000 mm，中间为Φ108 mm岩芯管，上面焊接一个托盘(外径158 mm)，岩芯管下面有一个可以活动的环状钢管，岩芯管下端做成喇叭状，确保环状钢管不能脱出；托盘和环状钢管之间，每隔约160 mm用钢筋弯一个环行接箍，托盘和接箍及环状钢管之间用弹簧连接，用吸水膨胀橡胶四周缠绕成锥形体，然后用铁丝加固，周围涂上黄油。当止水器下入指定位置时，由于变径处下小上大，致使环状钢管向上挤压，可以达到压缩和膨胀的双重止水效果。

抽水试验结束，起拔钻杆，在止水器与孔壁间摩擦力的作用下，止水器被拉长，直径缩小，加之周围涂有黄油，其上部地层又有Φ180 mm花管护壁，所以止水器及抽水设备能够安全提出。

抽水试验结束，起拔钻杆，在止水器与孔壁间摩擦力的作用下，止水器被拉长，直径缩小，加之周围涂有黄油，其上部地层又有Φ180 mm花管护壁，所以止水器及抽水设备能够安全提出。

由于此次施工的为水文孔，在操作过程中，为了确保环状可压缩止水器在孔内的顺利下入及起拔，对孔斜要求较高，钻孔偏斜率应小于或等于1.0%。

2.1.3新型遇水膨胀橡胶止水材料的使用

遇水膨胀橡胶作为一种新型的止水橡胶材料,最大优点就是具有优异的止水堵漏功能，目前已在水利工程、地铁隧道、地下基础工程、水坝等建设领域获得广泛的应用。遇水膨胀橡胶既能适应结构变形，起弹性密封作用，又具有吸水膨胀，以水止水的特殊功效。它的工作原理是，当结构变形超过材料的弹性恢复能力时，遇水膨胀橡胶遇水后体积可膨胀1至8倍，从而堵住渗漏的水，达到防水的目的。尤其在堵漏工程方面，它已取代了水泥灌浆、碎玻璃灌浆以及环氧树脂堵漏等传统施工方法。

从总体上讲，橡胶是一种疏水性材料，在其分子链中除了碳、氢链段以外，还含有少量的亲水基团。当与水接触时，水分子通过扩散、毛细管及表面吸附等物理作用进入橡胶体内，使橡胶体积迅速膨胀。与此同时，水分子与橡胶体内的亲水性基团结合，形成一种亲合力。这样，进入橡胶体内的水使亲水性基团溶解或膨胀，在橡胶体的内外形成渗透压差。这种压差对水向橡胶体内的渗透还具有促进作用。亲水基团持续不断地吸收水分，使橡胶发生膨胀形变。当抗形变力与渗透压差相当时，便达到了平衡，吸水膨胀作用可保持相对稳定。

本次使用的止水材料为衡水兴达工程有限公司生产的遇水膨胀橡胶止水带，是采用高分子无机吸水膨胀材料和橡胶混练而成的一种止水带产品，也是近年来新开发的一种新型建筑防水材料，在遇水后能吸水膨胀，最大膨胀率250%～550%倍，确保止水效果可靠。

遇水膨胀橡胶以其缓胀的特点，以水止水的特殊功效，具有优异的止水堵漏功能，特别适合在抽水试验钻孔中使用，如和可压缩止水器配合，可起到压缩与膨胀的双重止水效果，止水效果可靠，有效的解决了钻孔中上下含水层之间隔离止水的难题。

2.1.4水位观测及止水效果检验

环状可压缩止水器的使用，造成管内外水位难以观测的问题。为了解决这一难题，我们在抽取第三层水时，将6分测管、水泵电缆与Φ60 mm钻杆(兼做出水管)一起捆绑，环状可压缩止水器焊接于水泵上方15 m处的钻杆和测管外部，止水器与钻杆、测管及水泵电缆接触处的空隙用止水橡胶填充，并用止水胶粘结密实，确保不漏水；止水器与钻杆和测管接触处焊接结实。

在井内下人止水器后，采用水位压差法检验止水效果：测定止水后井管内外的水位，采用抽水的方法造成井管内外的水位差，并使其差值达到10 m或抽水试验时的最大降深值时，稳定半小时，若水位波动幅度不超过0.1 m，则止水有效，否则止水失败，需要检查止水器，重新止水。

2.2创新点

该方法的创新点是在对上、下两含水层进行抽水试验时，首先对上部含水层上覆地层采用止水套管进行隔离止水，然后利用抽水试验时的出水管外部焊接一个环状可压缩止水器完成对下部含水层以上地层的止水工作，同时又能对下部含水层进行抽水试验；下部含水层抽水试验工作结束后，用水泥浆对下层水进行封堵，最后对上部含水层进行抽水试验。

3应用效果分析

3.1实施效果

根据钻孔实际情况及设计要求，本孔对二叠系上统孙家沟组(P2s)、二叠系上统上石盒子组(P2sh)、二叠系下统下石盒子组和山西组(P1sh+ P1s)共三个含水岩组进行了抽水试验，现分述于下：

孙家沟组：作了三个降深的稳定流抽水试验，最大降深19.17 m(大于水柱高度的二分之一)，最小降深6.80 m，降距均大于6 m，抽水总延续时间49 h，稳定时间均大于8 h，水位跳动误差0.9%，流量误差最大为2.1%，符合规范要求，抽水质量达到“合格”标准。

上石盒子组：作了三个降深的稳定流抽水试验，最大降深56.59m，最小降深19.52 m，降距均大于10 m，抽水总延续时间49 h，稳定时间均大于或等于8 h，水位跳动误差最大为0.7%，流量误差为0，符合规范要求，抽水质量达到“优质”标准。

下石盒子组和山西组：进行了混合抽水试验，由于单位涌水量小于0.01 L/s·m(0.005 2 L/s·m),故只作了一次降深(93.28 m)，抽水延续时间37 h，稳定时间10 h，水位跳动误差0.4%，流量误差为0，符合规范要求，抽水质量达到“合格”标准。

综上所述，本次共完成抽水试验3层次，抽水试验严格按照设计及《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》(MT/T1091-2008)的要求执行，质量均达到合格以上(含合格)标准。

3.2经济效益

(1)按常规施工方法，每一含水层组抽水试验时需各进行一次常规测井和水文测井；采用本次施工方法，除第一含水层组抽水试验外，第二含水层组、第三含水层组通盘考虑、综合施工、分层进行，首先用小径一次成井，第二、第三含水层组的常规测井和水文测井工作合二为一，节省常规测井和水文测井工作各一次。

(2)环状可压缩止水器的研制和使用，使利用出水管(Φ60 mm钻杆)兼做止水管对试验段上覆含水层进行隔离止水得以顺利实施，节省Φ180 mm止水套管462.50 m，节约了费用，缩短了工期。

综上所述，“新方法”共节省常规测井和水文测井各一次，节约费用约2.3万元；节省Φ180 mm止水套管462.50 m，节约费用7.4万元，共计9.7万元，材料费用平均节约168元/m。该方法简化了施工程序，缩短了施工时间，节约了施工费用，同时又完成了抽水试验任务，是一种既经济又实用的好方法。

4结论与建议

4.1结论

(1)设计了环状可压缩止水器，改进了以往一孔多次分层抽水试验的工艺，实现了止水器的重复利用，降低了施工成本；

(2)环状可压缩止水器配合膨胀橡胶止水材料，可有效解决井内上下含水层的隔离问题，止水效果良好；

(3)设计了抽水和水位观测一体化装置，将测管、水泵电缆及钻杆(兼做出水管)有效地捆绑在一起，解决了环状可压缩止水器应用后无法观测水位的难题；

(4)开展了一孔多层抽水试验工作，改变了抽水工艺，采用了研制的环状可压缩止水器并配合膨胀橡胶止水材料，提高了一孔多层抽水的效率，降低了能耗节约了成本。

4.2建议

在实际应用过程中，下部含水层抽水试验工作结束后，用水泥浆对下层水进行封堵，水泥浆用钻具送入指定深度。当水泥浆注入较多时，会进入上部含水层底部，影响上部含水层水在抽水时的顺利涌出；当水泥浆注入较少时，对下部含水层不能完全封闭，同样影响抽水试验所获资料的准确性。如何准确而快速地对下部含水层进行封堵，我们目前的做法是利用井径曲线分段确定孔径，根据模拟试验数据确定水泥浆用量，然后用钻具准确送入预定位置，初凝后再用钻具探测。由于孔径变化受多种因素影响，具有各向异性，井径曲线有一定的局限性，不能详细反映孔径在所有方向上的变化情况；钻孔水溶解有一定的泥浆成分，不能完全清除，水中又有悬浮状态的岩粉，因此用模拟试验数据确定的水泥浆用量和实际情况有一定的出入，值得进一步研究。

5结语

综合对比分析可知，采用单井进行多含水层分层抽水试验的方法，较之前的单层抽水试验技术和常规施工方法，有了很大的改进和提高，是非常经济有效可行的方法。既节约了管材，又节省了时间，并且减少了资金，达到了抽水试验的目的。而且这种抽水试验的方法，也是澄合天宇勘探建井工程有限责任公司历年来野外抽水试验过程中，经过多次验证及此次井筒检查孔的抽水试验的成功经验，实践证明了这种方法的可行性、先进性。该一孔多层抽水试验的方法操作简单，环状可压缩止水器加工方便，不仅适用于蒲白矿区，其他地区亦可进行推广应用。该方法具有简单灵活、可操作性强、止水效果可靠、止水管材可以回收利用、低耗高效的特点，适宜推广。

参考文献

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[收稿日期]2016-03-14

[作者简介]赵宗昌(1984-)，男，山西运城人，工程师，主要从事地质工程工作。

[中图分类号]TU991.1

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)03-0128-03