封隔注浆分层成井技术在水文地质勘查中的应用研究

王明明，解 伟，安永会，龚 磊，王文祥，崔虎群

(1.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定 071051；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

作为水文地质调查重要的技术手段，分层水文地质孔能够通过分层抽水试验了解不同深度含水层组的水文地质特征，实现目的含水层的单独研究，为正确评价地下水资源提供科学依据[1]。

传统的分层水文地质孔成井方法主要为海带止水、膨胀橡胶止水和黏土球止水。海带和膨胀橡胶止水均属于临时性止水，具有一定的止水效果，但成本高，工序繁杂，承压性差，止水效果不稳定，不适用于永久性止水。黏土球止水是水文地质孔分层成井最常用的方法，成本低，止水效果好，但在细颗粒地层或钻探结构不稳定地层进行分层成井极易出现钻孔事故，影响分层成井质量，同时，黏土球水化时间短，也不适用于大深度水文地质孔分层成井[2-6]。因此，亟需开发一种新型分层成井技术实现水文地质孔高效快速分层成井。

在介绍封隔注浆分层成井技术原理和工艺流程的基础上，本文进行了大量关于水泥浆性能的测试试验，将封隔注浆分层成井技术应用于黑河流域HQ56水文地质孔分层成井，并对比分析了分层抽水试验获得的水文地质参数结果，提出了封隔注浆分层成井技术的优势及使用推广价值。

1 技术原理

1.1 成井原理

近年来，随着油田的不断勘探开发，油气开采向着低压低渗地层、深层、薄层等方向发展，为封隔不同的层位，进行有效的压裂和分层开采等作业，地层封隔注水泥技术与工艺应运而生，已在国内多个油田中使用，技术比较成熟[7-9]。

在借鉴油气开采领域地层封隔注水泥技术与工艺的基础上，结合中国地质调查局水文地质环境地质调查中心自主研发的封隔设备(专利号：201721742572.2)，提出了封隔注浆分层成井技术，其原理(图1)是在钻进、下管、全孔填砾和洗井工艺结束后，通过注浆导管向井管内下入封隔器具，在注浆管与注浆窗口对齐后，在止水位置启封双封隔器，将注浆窗口隔离，使用泥浆泵将水泥浆通过注浆管注入止水段环状间隙实现止水。

封隔注浆分层成井技术属于原创性技术，具有施工成本低，工作效率高、止水可靠等优势，适用于细颗粒地层或钻孔结构不稳定地层管井快速分层成井。

1.2 工艺流程

封隔注浆分层止水是封隔注浆分层成井工艺的关键工艺，其施工流程见图2，其核心工艺主要为：检测注浆窗口位置、封隔注水和管内注水保压。

图2 封隔注浆分层止水施工流程Fig.2 Construction process of injecting cement to seal water

1.3 设备

封隔注浆分层成井技术主要设备为封隔器、泥浆搅拌机和泥浆泵等，其中核心设备为自主研发的K344扩张式封隔器，由短节、上接头、中心管、胶筒及浮动头组成，使用高压氮气(或惰性气体)作为启封介质，通过高压气管线连接至地表供压设备，具有膨胀比大、有效膨胀作用段长、封隔时间长等优点，适用于松散地层管井和基岩地层裸孔封隔。

1.4 优势

一般情况下，海带止水和膨胀橡胶止水仅作为临时性止水材料，文中不再讨论。相比于黏土球止水，封隔注浆分层成井技术具有以下优势。

(1)可大幅降低钻孔分层成井事故率

黏土球止水成井工艺为钻进→下管→分层填砾和止水→洗井，其关键工艺为“分层填砾和止水”，而该工艺也是分层成井过程中事故发生率最高的阶段，极易发生孔内坍塌、测量回填位置不准确或无法测量砾料回填高度、砾料回填高度超过止水位置和钻孔缩颈引起的黏土球“架桥”等事故，以上事故在细颗粒地层或钻孔结构不稳定地层发生率更高，对钻孔成井质量影响较大。

封隔注浆分层成井技术改变了传统水文地质孔分层成井工艺流程，将成井工艺改为钻进→下管→全孔填砾→洗井→封隔注浆分层止水，突破性地去除了“分层填砾和止水”这一钻孔事故高发阶段，同时，该技术是在下管、钻孔填砾和洗井等工艺结束后实施，使得分层成井更加简单安全，大幅降低钻孔分层成井事故率。

(2)测量结果准确

黏土球止水使用测绳测量砾料或黏土球回填高度，存在测量不到回填高度或测量结果不准确问题，会对分层成井质量产生较大影响。

封隔注浆分层成井技术仅需注浆前检查注浆窗口与注浆管是否对应，可通过物探测井、丈量井管与注浆导管确定，测量结果非常准确。

(3)施工效率高

正常情况下，黏土球止水单层施工时间在16 h以上(仅指滤料和黏土球回填工序)，受钻孔深度、砾料投放速度、测量滤料回填位置和钻孔事故等因素影响，而且影响较大，甚至时间可能长达15～30 d。

封隔注浆分层成井技术则不受其他因素影响，单层施工时间约3～5 h(包括下入注浆钻具、搅拌水泥浆、注浆和提钻等工序)，安全高效。

(4)适用于深孔分层成井

对于孔壁较为稳定地层，采用黏土球分层成井最大深度为300 m，而在细颗粒或钻孔结构不稳定地层，由于极易出现孔内坍塌、缩颈和无法测量滤料回填高度等问题，最大止水深度非常不稳定，可能仅有几十米。

封隔注浆分层成井技术是在全孔填砾后管内分层成井，不受地层影响，其最大分层成井深度取决于封隔器性能，安全高效，可轻松实现深部钻孔分层成井。

2 水泥浆初凝时间测定试验

封隔注浆分层成井技术属于原创性技术，可借鉴的前人经验较少，需要进行试验获得数据支撑封隔注浆分层成井技术应用。

试验目的：(1)通过试验了解水泥浆初凝时间，及时对封隔器卸荷，提出钻具，防止钻具被凝固在井内引发钻孔事故，同时，尽可能延长封隔时间，使注入水泥浆尽可能进入地层，减少掉入孔内水泥浆量，实现绿色钻探；(2)通过试验获得水灰比、水泥添加剂、搅拌时间最优配比，为封隔注浆分层成井技术实际应用提供理论支撑。

此次试验从水灰比、水泥添加剂、水泥种类和搅拌时间4个方面优选。

(1)水灰比

采用就地取材，从施工地附近采购，同时，为保证水泥流体性能和强度，水灰比设置为0.5、0.55和0.6。

(2)添加剂

主要作用为防止水泥凝固后收缩，根据前期试验经验，当添加剂含量超过5%时，搅拌和抽送水泥浆比较困难，因此，添加剂用量设置为2%、3%和4%。

(3)搅拌机

采用JJ-1精密定时电动搅拌器，功率100 W，调速范围100～2 500 r/min，根据钻机使用的泥浆搅拌机性能，将搅拌转速设为600 r/min。

(4)维卡仪

测试水泥浆初凝时间。水泥浆初凝时间测定试验采用四因素三水平表，见表1。

表1 水泥浆试验因素水平表

根据表1制定水泥浆初凝时间测定试验方案，试验方案及结果见表2。

表2 正交试验方案及结果

采用极差分析法对正交试验结果进行计算和分析，首先需要计算Kjm、kjm和Rj，再判断因素主次、优水平和优组合。

Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和，kjm为Kjm平均值，由kjm大小可以判断第j列因素优水平和优组合。Rj为第j列因素的极差，反映了第j列因素水平波动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大。根据Rj大小，可以判断因素的主次顺序。正交试验结果分析见表3。

表3 正交试验结果分析

根据表3正交试验结果分析，可知极差RC>RA>RD>RB，因此，对水泥初凝时间影响的主次顺序依次为主→次：CADB，同时，根据kjm计算数据分析，A2、B2、C1、D1分别为A、B、C、D因素的优水平，因此，最优方案为：C1A2D1B2，即425“戈壁”水泥，水灰比0.55，搅拌时间20 min，水泥添加剂用量3%。

采用该最优配方搅拌的水泥浆，初凝时间达到3.5 h，为封隔注浆分层成井技术野外应用提供了参考依据。

3 应用实例

3.1 工作背景

本次研究区位于酒泉金塔盆地，区域地层颗粒较细，表现为亚砂土、黏土、中粗砂、细沙、砂砾石互层，地下水类型为潜水和承压水，含水层为多层结构[10-12]。

在前期实施分层水文地质孔过程中，孔内坍塌、测量回填位置不准确或无法测量砾料回填高度、砾料回填高度超过止水位置和钻孔缩颈引起的黏土球“架桥”等事故发生非常多。考虑到项目后期工作区主要为细颗粒地层，孔壁不稳定，分层成井过程中同样会出现以上孔内事故，不适合采用传统分层成井方法实施分层水文地质孔。

通过不断调研和改进，结合已有的封隔器等相关产品，将封隔注浆分层成井技术应用至HQ56水文地质孔分层成井。

3.2 HQ56钻孔概况

以HQ56钻孔为例，该钻孔位于酒泉市金塔县三合乡榆树沟村，岩性以砂砾石、粗砂、粉细砂和粉质黏土为主，成井深度设计为274.5 m，要求揭穿第四系地层，钻孔分为3层，止水位置分别设计为115.2～128.2 m和192.2～205.2 m。考虑到该钻孔地层颗粒较细，止水层数多，止水位置深，因此，采用封隔注浆分层成井技术实施分层成井，图3为HQ56钻孔成井结构。

图3 HQ56钻孔成井结构示意图Fig.3 Diagram showing the structure of well HQ56

根据图3可知，HQ56钻孔实际止水位置为119.6～124.85 m和198.4～202.6 m，长度分别为5.25 m和4.2 m，比设计注浆量(6 m)略少，但完全可以满足成井止水要求。

同时，根据成井结束后物探测井结果，发现与注浆窗口位置相比，实际止水段位置靠下端，可见水泥浆运移位置主要是朝下，并不是均匀分布，该水泥浆运移规律的发现可指导注浆窗口位置选择，尤其适用于止水厚度较薄地层分层成井。

3.3 分层抽水试验

在钻孔分层成井结束后，利用潜水泵型双封隔器分层抽水系统实施了同径封隔分层抽水试验，图4为上、中、下三层抽水试验设备连接示意图。

图4 分层抽水试验设备连接示意图Fig.4 Sketch diagram showing the connecting equipment for stratified pumping test connection

3.4 数据分析

根据水文地质规范要求并结合钻孔富水性实际情况，对HQ56水文地质孔进行上、中、下三层抽水试验，每层自小流量到大流量进行3个落程，流量大小通过变频控制柜来调节。获得的抽水试验数据和采集水样分析见表4和表5。

表4 HQ56钻孔分层抽水试验数据

表5HQ56钻孔各层离子浓度和TDS

Table 5 Total dissolved solids and ionic concentrations of different aquifers toxpped by well of HQ56/(mg·L-1)

根据表4，HQ56钻孔上部含水层富水性极强，远高于中下部含水层，中部含水层富水性略高于下部含水层。

根据表5，HQ56钻孔上部含水层TDS最高，达到752.4 mg/L，中部含水层TDS最低，为330.6 mg/L，下部含水层TDS高于中部含水层，为384.1 mg/L。

通过对表4和表5中HQ56钻孔的单位涌水量和TDS进行对比分析，发现获得的各含水层水文地质参数及水质类型存在一定差别，从侧面反映出采用封隔注浆分层成井技术进行分层成井安全可靠，止水效果良好。

4 结论

(1)封隔注浆分层成井技术改变了传统水文地质孔分层成井工艺流程，去除了“分层填砾和止水”这一钻孔事故高发阶段，有效降低了钻孔分层成井事故发生率，并且将分层成井时间缩短为3～5 h，提高了分层成井深度，使得水文地质孔分层成井简单、高效和便捷，对于细颗粒地层或钻孔结构不稳定地层快速分层成井具有极高的借鉴应用价值。

(2)采用封隔注浆分层成井技术进行分层成井时，发现实际止水段并非在注浆窗口位置两侧均匀分布，而是比注浆窗口位置靠下，该水泥浆运移规律的发现可指导注浆窗口位置选择，对于止水厚度较薄地层分层成井更具有指导意义。

(3)通过对比分析HQ56钻孔分层抽水试验及水质化验相关数据，发现各含水层水文地质参数及水质类型存在一定差别，说明采用封隔注浆分层成井技术进行水文地质孔分层成井，止水效果是非常可靠的，值得在水文地质调查工作中推广。