Packer同径止水技术在彬长矿区多含水层分层抽水试验中的应用

刘厚宁,李 萍,成 龙,马邮国

(陕西韩城天久注浆勘探有限责任公司,陕西 韩城 715400)

彬长矿区随着煤矿开采范围扩大,水文地质条件复杂程度增加,以致矿井防治水工作难度加大,对煤矿安全生产造成了一定的影响[1-6]。彬长矿区主要含水层为洛河组巨厚砂岩含水层,厚度一般200～300 m,含水层上、下段富水性不均[7],需分段抽水以准确获取巨厚含水层在垂向空间的水力学参数、水化学特征、温度参数,对于深刻认识洛河组含水层水文地质条件,合理概化水文地质模型,精确评价地下水资源,指导彬长矿区矿井防治水工作,起着至关重要的作用。

彬长矿区以往多含水层抽水试验仍按传统异径分台阶套管止水的方法进行分层抽水,此方法需要进行多级扩孔,操作难度大、扩孔费用高、止水效果无法检验[8],并且不能获取巨厚含水层分层水文地质参数及水化学参数。有部分学者采用混合抽水的方法解决分隔含水层困难的问题,以求取巨厚含水层分层水文地质参数,但混合抽水结果计算公式复杂、分析难度大,求取的水文地质参数误差较大[9]。

前人在准东煤田等地区钻孔中同径止水、分层抽水试验进行了大量的实践探索[10-14],但在彬长矿区未曾试验。彬长矿区本次水文分层抽水试验引入中国地质调查局水环中心研发的Packer 封隔器分层止水,探索Packer 同径止水技术在彬长矿区水文孔分层抽水试验中的应用。

1 地质背景

彬长矿区位于陕西关中平原西北部,彬州市-长武县之间。矿区海拔高程为+850～+1 200 m,总面积约980 km2,煤炭资源总量约8 978 Mt。地势高差较大、沟谷切割严重,塬梁破碎,沟壑纵横,总体是从黄土塬梁向中间泾河谷地倾斜,泾河穿越矿区中部而过。

1.1 地层

彬长矿区大部分地区被第四系黄土覆盖,基岩出露较少。根据钻探揭露,矿区内地层由上到下依次可以见到:第四系(Q)、华池组(K1h)、洛河组(K1l)、白垩系下统宜君组(K1y)、安定组(J2a)、直罗组(J2z)、中统延安组(J2y)、侏罗系下统富县组(J1f)、三叠系上统胡家村组(T3h),详细地层信息见图1。

图1 彬长矿区构造示意图

表1 矿区地层系统一览表

1.2 构造

彬长矿区大地构造位置位于鄂尔多斯盆地彬县～黄陵坳褶带,构造相对稳定。三维地震资料显示,彬长矿区地层为一走向N50°～70°E,倾向NW～NNW的单斜构造,局部发育有少量南东向的宽缓褶曲构造,主要包括三个背斜和两个向斜(图1)。据地震资料,矿区内发育多组北东向的高角度正断层,断距一般小于30 m。

(1)彬县背斜:位于矿区南部邵寨及史家河一带。背斜轴近东西延展约9 km,南翼倾角平缓,一般1°～2°,北翼较陡,由西到东由4°速增至9°。

(2)路家～小灵台背斜:西起路家,东至小灵台。轴向N78°E,延展长度21 km,南翼倾角1°～3°,北翼倾角4°～6°。

(3)七里铺～西坡背斜,位于矿区北部,轴向西部N85°E,东部N68°E,轴向延展长度33 km,南翼倾角1°～3°,北翼倾角一般为5°～8°。

(4)安化向斜区:位于彬县背斜及路家-小灵台背斜之间,轴向呈NEE,长约30 km,南翼倾角4°～9°,北翼倾角1°～3°,轴部地层近水平。

(5)孟村向斜区:位于路家～小灵台背斜与七里铺～西坡背斜之间及董家庄背斜东端。向斜轴向呈NEE向,长约32 km,南翼倾角4°～6°,北翼倾角1°～3°。

1.3 矿区水文地质条件分析

彬长矿区地下水主要为基岩裂隙水,其次为第四系潜水。基岩裂隙水包括:白垩系华池组、白垩系洛河组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组基岩裂隙水;其中洛河组地层富水性相对较好,其它地层富水性相对较弱。洛河组地下水力系统与现今泾河流域分布范围基本一致,因此洛河组地下水补、径、排条件受地表水系统控制。现今泾河流域补、径、排系统为四周中低山环绕的典型高原盆地,总体地势特点为北西高南东低,发育泾河扇状水系,地下水从东、北、西三侧向马莲河下游一带汇集,在长庆桥至彬县亭口一带排泄。

2 Packer同径分层止水原理及技术方法

2.1 Packer止水原理

Packer系统是专门用于钻孔分层止水的设备,由充气系统、抽水系统、压力传感系统组成(图2、图3)。其原理是利用Packer封隔器充气后完全膨胀,强大的气体压力使封隔器橡胶圈紧贴孔壁,阻止上、下含水层串流,使含水层形成一个相对独立的流体系统。潜水泵下入两封隔器之间,对含水层进行抽水试验。利用压力计读数的变化,检查止水效果,以及获取水位降深。

图2 Packer止水原理示意图

图3 双封隔器连接实物图

2.2 彬长地区Packer同径分层止水技术方法

(1)探煤任务结束后,确定抽水段位置,抽水段及以上部分扩孔至180 mm同径,洗孔至水清砂净。

(2)抽水设备下入孔中之前,检查潜水泵、封隔器、压力计等仪器设备的性能,并且读取封隔器完全打开所需要的氮气压力,提前准备相应压力的氮气瓶。

(3)按顺序连接潜水泵、封隔器、压力计。封隔器安装在抽水段顶、底位置;将潜水泵连接在上、下两个封隔器中间位置;在下封隔器向下2 m的位置、泵头位置、上封隔器向上2 m的位置分别安装一个压力计探头,用于读取含水层水位高度和检查封隔器止水效果。

(4)所有设备检查完毕后,下入指定位置,打开氮气阀对封隔器充气,并进行封隔器止水效果检查。开泵后如果泵头位置的压力计读数有规律的减小,封隔器上、下两个压力计读数不变,说明封隔器止水效果良好,可按规范进行含水层段抽水试验。

3 Packer同径止水与传统套管止水的优缺

点对比

3.1 优点

(1)采用同径180 mm扩孔,省去多级扩孔程序,扩孔效率有所提高。

(2)使用封隔器止水,不用下止水套管,省管材,省时间,又杜绝了止水套管启拔不动的孔内事故。

(3)止水效果可检查,根据三个压力计读数变化,可轻松检查封隔器止水效果。

3.2 缺点

相比于传统的异径套管止水,Packer封隔器同径止水潜水泵只能下在抽水段的中间位置,对潜水泵的扬程要求较高,目前钻机普遍使用的潜水泵扬程在500 m以内(大于500 m扬程的潜水泵造价偏高,一般钻机不能承受),因此,封隔器止水只能抽500 m以上的含水层,即第四系松散岩类和洛河组含水层。针对深部宜君组、直罗组、延安组含水层仍需采用传统的异径套管止水进行抽水试验。

4 结语

彬长矿区采用Packer封隔器同径止水,轻松实现了洛河组及第四系松散岩类分层抽水试验及取样,准确获取了含水层富水性参数,解决了传统钻孔抽水试验面临的难题,具有实施过程简化、安全、高效、便捷的优点,对彬长矿区洛河组及第四系松散岩类钻孔抽水试验及取样具有重要的借鉴意义。但受潜水泵扬程限制对埋深500 m以下的宜君组、直罗组、延安组含水层仍需采用传统的套管分层止水办法,期待后期大扬程潜水泵的普及,使Packer封隔器止水技术扩展到更深层位。