水文地质参数井同径止水与分层抽水试验研究

2023-02-13王盼秋

水利科技与经济 2023年1期

王盼秋

(菏泽市水利勘测设计院，山东菏泽 274000)

1概述

由于我国地质情况复杂多样，导致水文地质参数也不尽相同，也为相关研究工作带来较大困难。因此，分析水文地质参数井同径止水与分层抽水情况，对我国城市地下饮用水研究工作具有十分重要意义。

孙芳强等[1]为获得不同情况下含水层空间特征，通过结合实际工况，提出了新型分层取样物探技术，可有效解决分层抽水等作业困难。李晓龙等[2]为解决现况下分层止水技术难题，通过结合现状资料，提出了新型分层止水技术发展方向。王岩峰[3]通过研究同径止水方法，探讨了不同方法之间的优劣情况。杨建新等[4]通过试验，证明止水塞和井管的特殊设计，可解决对口抽等技术难题。王海军[5]通过研究两种同径止水方法，且采用两种不同施工工艺，探讨在实际工况中需要注意的问题，并分析了不同工艺之间的优缺点。杨联锋等[6]基于岩心和测井情况，划分多个抽水试验段，通过简化井身结构，研究新型同径分层止水工艺能否满足抽水试验要求。

综上可知，目前我国对于水文地质参数井同径止水以及分层抽水等方面的研究仍然较少，且考虑不够全面。本文通过同径止水装置方案，选出最优型，并对止水材料进行分析；在此基础上，演示分层抽水试验过程，分析水文地质参数井同径止水与分层抽水试验现象情况，以期为水文地质研究工作提供参考。

2 工程工况与背景

菏泽市位于山东省西南部，与河南、安徽和江苏3省接壤，菏泽市南北长157 000m，东西宽140 000m。根据当地地形地貌等特征，可将该市分为两个水文地质亚区，分别为古河道带冲积平原淡水区和湖西冲积湖积平原咸淡水区。该市第三次水资源平均地下水可开采量达到13×108m3，地下水质也较为良好，水质监测井数量占评价选用井总数53%，该市地下水源使用占比达到59.8%。因此，对该市的水文地质参数井同径止水与分层抽水情况研究至关重要。

本文主要研究内容包括分层止水抽水等，主要设计同径止水装置方案，并选出最优型；然后对止水材料进行分析，分析分层导水管路设计；之后再对止水系统与导水管路进行重叠，在此基础上进行密封来演示分层抽水试验过程。

该试验的设计要求主要包括钻孔、取芯、分层止抽水、止水程序以及观孔。其中，钻孔参数见表1。对于取芯要求，则需要覆盖层和变质岩层相互结合取样。而分层止抽水的止水要求则需要将覆盖层和变质岩层的隔水层按上下层段分止水，抽水要求则需要将变质岩地层按3个落程分层抽水。对于止水程序，主要包括两套套管，分别为A型和B型，其型号见表2。对于观孔，则在变质岩层按上下层分别设置观测通道以及保护措施。

表2 套管型号

该试验的技术路线主要为技术重难点分析、方案设计、设计图纸绘制与加工、装置检验、装置风险评估、管柱入孔实施、检验与分层抽水试验以及综合效果检验。

3 试验方案与组合

3.1 试验方案

本试验共有3个试验方案，即A方案、B方案和C方案。其中，A方案长5m，选用B型号套管，并在管外焊接4只托盘，以实现分层止水的目的，具体情况见图1。图1中，1和2分别为隔水接头和隔水台阶，3为限位档圈，4为B型号套管，5和6分别为孔壁和焊接点。

图1 A方案

B方案主要多设置了特殊组合接头，包含止水接头和隔水接头。止水接头外径约100mm、内径约50mm，每组共3节，设计要素相同，具体情况见图2。图2中，1和2分别为隔水接头和止水台阶，3为孔壁，4和5分别为中止水接头和下止水接头，6为B型号套管。

图2 B方案

C方案与B方案的设计情况相同，但止水组合不同，具体情况见图3。图3中，1和2分别为隔水接头和上止水接头，3为中止水接头，4和5为膨胀胶粒和胶粒伞架，6为孔壁，7为止水接头中部，8为B型号套管。

图3 C方案

根据A方案、B方案和C方案设计图纸，并进行室内试验，结果见表3。

3.2 组合选型

组合选型选用2种止水材料进行试验。分别选取不同材料在通常情况下进行试验，并计算出膨胀率。室内试验数据见表4。

由于两种止水材料具有吸水膨胀等特点，结合技术要求，最终组合为：上节膨胀胶带止水到中节，然后到食用海带止水。而对于分层抽水导水管路设计，主要分别进行上下层分层抽水，其管路组合有两种，分别为上层抽水导水管路和下层抽水导水管路，其中上层抽水导水管路主要由正反接头到钻杆约640 m再到进水筛管1根，然后串接锥形隔水胶球再到钻杆尾部封水堵头；下层抽水导水管路与上层抽水导水管路路线一致，但少了进水筛管1根，且钻杆尾部封水堵头变为钻杆尾部封水堵头。

表3 试验数据

表4 性能试验数据

4 结果分析

4.1 方案比选

A方案、B方案和C方案的对比结果如下：A方案存在钻孔孔径与止水套管外径之间间隙无法实现以及隔水台阶无法控制等问题，且无法进行双向焊接；B方案无明显缺点，钻孔孔径与止水套管外径之间间隙可以增大至8.5mm，各节止水装置能够充分连接，且物理性能可以得到保障；C方案的锥形伞架体安装困难，试验操作空间较小，具有失效风险。由此可知，B方案的效果最佳。

4.2 材料分析与选型

对于相同止水材料，由于水泥灌注复杂，且施工风险大，因此首先排除水泥材料。采用膨胀型止水材料，可保留膨胀胶带和食用海带，其施工风险较低，成功率较高。其中，常用膨胀型止水材料一般为20 mm×10mm(宽×厚)，每盘20m。其中食用海带经济实惠，且取材广泛，性能较强且安全可靠。

4.3 分层抽水管路情况分析

在实施同径止水的基础上，进行分层抽水作业，主要通过设置隔水接头与导水管路串接组合实现。根据图纸规范，分别实施下段、上段含水层抽水作业。在施工现场可以发现，分层抽水试验要求可以通过封水效果来进行满足，由于锥形隔水接头的内径完全满足通径需求，该试验的施工风险较小。通过对分层抽水试验数据进行分析，分层抽水试验主要分3层，第一层为645～1 000m，第二层为432～645m，第三层为432～1 000m。采用新型潜水电泵进行试验，电泵下水深度超过100m，具体结果见表5。

表5 水文参数及分层抽水数据

由表5可知，上下层抽水出现较为明显的富水性差异，最大出水量相差5.43 m/h。而在相同情况下，上下两段降深数值相差值依然保持很大，出水量较高。当出水量达到15.26m3/h时，下层抽水比上层抽水降深大了接近70m，其中上下层静止水位埋深达到20 m左右时，有较大差异，最大可达到410mm；涌水量会随着层数增加而逐渐增大，当达到第三层时，涌水量最大；而对于渗透系数在第二层时，达到最大值；静止水位则保存在较为稳定状态；且不难发现，下层水温高于上层，差值稳定在0.5℃。