臨清市貧咸水區成井工藝探討

郭印坦，王文靜，王文博，李愛華，魏 虹

(山東省臨清市水務局，山東 臨清 252605)

臨清市貧咸水區成井工藝探討

郭印坦，王文靜，王文博，李愛華，魏 虹

(山東省臨清市水務局，山東 臨清 252605)

臨清市部分地區淡水分布在30～50 m以內，含水層較薄，有些地方是多層分布，含水層為弱透水性地層，富水性較差，造成出水量較小，且容易於堵，使用壽命短的情況，采取粗骨料的成井工藝，通過試驗對比，粗骨料井具有水躍值小、單井出水量大等特點，與使用的常規井比，單井出水量增大30%以上，由于出水量大，降到了運行成本，與常規井比運行成本降低11%左右，具有廣闊的推廣應用前景。

貧水水區;成井;工藝

臨清市地處魯西北黃泛平原，位山引黃灌區的最下游，農業灌溉以“井渠結合，引黃補源，以井保豐”為基本特點。農村飲水安全工程全部采取地下水。機井在農業灌溉和飲水安全工程中發揮重要的作用。但由于臨清市水文地質條件不同和黃河故道的影響，存在多處貧咸水區。該地區淡水分布在30～50 m以內，含水層較薄，有些地方多層分布，含水層為弱通水性地層，富水性較差。在此地區利用普通方式，按照常規的施工工藝，特別是無砂混凝土管井，由于洗井限制，井孔壁滲透性降低，出水量較少，且容易淤賭，井使用壽命短。為了加大單井出水量，延長井使用壽命，我市聯合北京中科水工程總公司進行了新型成井工藝的研究。

1 研究的主要內容

本項目針對我市淡水分布在50 m以內，含水層較薄或多層分布，含水層為弱透水性地層，富水性較差的特點，研究在這些地區增加出水量的粗骨料井的技術條件，包括適用條件、適宜井深、井徑、過濾器和井管結構、濾料粒徑與含水層關系、洗井工藝以及施工設備選擇等。研究采用試驗與示范應用相結合的方法，建立試點工程，在收集資料和充分調查的基礎上，與常規井進行對比試驗，著重試驗濾料結構和粒徑、濾水管材料和結構、成井工藝等內容，提出粗骨料井成井新技術。

2 粗骨料成井原理及施工工藝

2.1 粗濾料井原理

粗骨料井是指井管周圍填充大粒徑濾料以增大出水量的機井。其主要原理是在井周圍填充了大粒徑濾料，濾料層空隙大，進水阻力小，出水能力強，出水時間可帶出地層中可以移動的泥沙。一般在成井后，自上而下在每個含水層中大降深抽水洗井，逐漸抽出機井周圍含水層中可以移動的細顆粒，機井周圍形成空穴，濾料隨之填充，并隨抽隨補充填充，直至填料穩定不再下沉為止。洗井過程中，隨著濾料的下沉填充含水層，將井壁泥漿破壞，在井孔外逐漸形成天然反濾層，以改善機井滲透性，較少井內水躍，增加單井出水量。粗骨料主要適用于有一定密實度的粘土頂板、厚度薄、埋藏淺的粉細砂，細砂含水層或粉細砂、細砂與弱透水層互層的地區。

2.2 粗骨料井的設計

2.2.1 井管

粗骨料井的井管選擇鋼管井管、塑料井管、橋式濾水管、圓孔鋼筋混凝土等，若采用無砂混凝土井管。則需要將其骨料粒徑增大。

2.2.2 濾水結構設計

濾水結構的作用是，一方面能使含水層中的水以最小的阻力，暢通地通過濾水管進入井內，另一方面要求能有效地攔截含水層中細小顆粒，不被水流帶入井管內。其基本要求是:

1)具有含水層相適應的透水性和最小的進水阻力，需要慎重選擇過濾器的類型和孔隙率。

2)能有效地防止產生最終涌砂，即經過洗井后可以達到水清砂凈。為此過濾器的孔(縫)眼大小，必須根據含水層的顆粒大小，合理地加以確定。

3)能有效的防止產生機械堵塞、化學、電化學堵塞和生物堵塞，在合理進行結構設計的同時，要注意濾水管的材料選擇。

4)具有合理的機械強度和耐久性，防止在施工和運行管理中損壞。

5)結構盡可能簡單，加工制作容易，造價低廉。

若要增大機井出水量就要增大濾水面積，而增大開孔濾和濾料填礫厚度是重要途徑。粗骨料井是通過增加濾料厚度和加大濾料粒徑達到增大出水量的目的，故粗骨料井的濾水結構肯定是填礫濾水結構，其濾水結構設計主要是濾水管形式、開孔率大小等。

為了獲得大的濾水面，粗骨料井的濾水管形式應選擇不纏絲穿孔式過濾器。濾水管材料應選擇與井管同材料同規格的管材。濾水管的開孔方式可分為圓孔式和條孔式，管外一般不纏絲，根據水文地質條件，也可以在濾水管外包一層40～60目的外包布。為了降低濾水管的入流流速，濾水管必須有足夠的進水面積。在濾水管結構尺寸一定的情況下，有效進水面積大小與其開孔率大小有密切關系。開孔率越大，有效進水面積越大。為了增大進水面積，在管材強度允許的情況下，濾水管應具有盡可能大的開孔率。由于粗料骨井主要應用于淺薄層含水層，屬于無壓含 水層，在過濾器直徑較小時，濾水管直徑越大，井的出水量越大。根據實踐經驗和試驗結果，建議粗骨料井的濾水管直徑選擇φ300 mm左右為宜。

由于粗骨料井的原理，其含水層厚度一般不大，應該設計成完整井，在全部含水層中均布設濾水管。

2.2.3 濾料設計

濾料選擇的原則是所選用的濾料，在洗井和除砂時，能將機井周圍含水層的細顆粒帶出，形成天然反濾層，保證留在含水層的剩余砂粒保持穩定，不能再自由移動。機井增大出水量就要增大濾水面積，而增大濾料填礫厚度是增大濾水面積的重要途徑之一。粗骨料井的濾料初填厚度宜為240～250 mm。粗骨料井在洗井后，濾料會下沉補充井周圍空穴。濾料的數量應根據設計的理論需要再加上一定的富余量，通過試驗中得到n=25%，設計中可取25%～30%。

2.2.4 井孔直徑和深度設計

根據粗骨料井的原理，粗骨料井是通過濾料厚度和加大濾料粒徑達到增大出水量的目的，故井孔直徑應該較常規井要大一些。根據試驗結果，綜合考慮出水量、成孔難度、經濟等因素，建議井孔直徑0.8～1.2 m為宜。粗骨料井一般應用于淺薄層含水層中，含水層不厚，一般小于10～20 m，故粗骨料井應設計成完整井，含水層底需要設沉淀管，沉淀管長度宜不小于2 m。

2.3 粗骨料井施工

2.3.1 井孔鉆進方法和設備選擇

由于粗骨料井的適用范圍是有一定密實度的粘土頂板、厚度薄、埋藏淺的粉細砂、細砂含水層或粉細砂、細砂與弱透水層互層的地區，地層以粉、細砂、亞粘土、粘土為主，同時根據粗骨料井的原理，在鉆進工程中應盡量降低泥漿比重，同時深度不是很深，綜合考慮，井孔鉆進方法宜選擇泵吸反循環回轉鉆進，相應地鉆進設備應選擇泵吸反循環鉆機。

2.3.2 成孔

泵吸反循環原理是利用泵的抽吸水量，使沖洗液進入反循環的管路，泵的進水口和鉆桿的提引水龍頭相連接，出水口與泥漿池相通，泥漿池又與孔口相通，當泵開始工作時，泥漿池中的沖洗液由鉆桿與孔壁之間的環狀間隙進入孔底，孔內沖洗液攜帶巖屑從鉆桿內上行至地面，經提引水龍進入水泵最終流入沉泥漿池，完成了一個工作循環。

2.3.3 下管前的準備工作

下管是成井工藝中的關鍵工序，直接影響成井的質量，在下管前應做好以下各項準備工作:

1)探井

井孔鉆進完成后，應首先進行探井，以查明井壁是否圓滑規則，如有縮徑或不圓的現象，應及時修整，保證下管工作能順利地進行。探孔采用探孔器進行，它是由鉆桿和導正圈組成，導正圈的直徑比鉆孔直徑小20～30 m，兩圈間距離為2 m，整個探孔器長度不小于8 m。如連接探孔器的鉆桿能順利下至孔底，說明鉆孔圓直，井壁平滑，否則應進行修孔。

2)換漿

井孔鉆成后，井內泥漿粘度不大，含砂量高，井壁泥皮也較厚，如立即下入井管，過濾器的縫隙和網眼有可能被封堵。從井口填入的礫料，在下沉過程中也很容易粘滯在井壁皮上，造成中途堵塞，使圍填礫料和洗井工序不能順利進行，因此，在下管前應將鉆桿下入井內，并接近井底，用水泵將稀泥漿壓入，自下而上逐漸替換內稠泥漿，同時應不斷消除返出泥漿的巖屑，隨時測試返出泥漿的粘度，如返出泥漿的粘度與稀泥漿的粘度相近，換漿工作即告完成。

3)校正孔深

換漿后，應精確丈量井孔深度，以保證準確地安裝過濾器和井堅管。

4)檢查、排列井管

依據所采用的土樣，鑒別樣和測試資料所顯示的地層情況，對實管、濾管在地面進行準確丈量、排列、編號，使過濾器能設置在含水層的對應部位。對井壁管和過濾器的質量要進行認真的檢查。

2.3.4 下管

由于粗骨料井一般較淺，在使用塑料井管、橋式濾水管時，可采用懸吊法一次下管即可。為使井管垂直下入孔底和防止井管碰撞井壁，在井管上每間隔6 m安裝一組正管水，每組用鐵絲綁扎3塊。正管木長15 m兩頭鋸成半楔形。井管最下邊應設計沉淀管。準備工作做完后，就要開始下管。

2.3.5 填礫

采用靜水填礫法，填礫的目的是在過濾器與井壁之間形成人工過濾蹭。將選好的濾料投入過濾器與井壁之間的環狀間隙中，填礫時，應均勻地由井管四周填入，填入的速度不宜太快，以防濾料中途堵塞而出“搭橋”現象。當投入部分濾料后，由于濾料下沉，形成井管內外壓力差，迫使井管內的泥漿外溢，此時填礫速度可稍快一些。

由于粗骨井需要在洗井時不斷補充濾料，以充填井周圍由于抽出的細顆粒所形成的空穴，因此在填礫時，應一直填到井口。

2.3.6 洗井

根據粗骨井原理，粗骨料井在成井后，需要自上而下地在每個含水層中大強度抽水洗井，逐漸抽出機井周圍含水層中可以移動的細顆粒，機井周圍形成空穴，濾料隨之填充，并隨抽隨補充填充，直至填料穩定不再下沉為止。

洗井過程中，隨著濾料的下沉填充含水層，將井壁泥漿破壞，在井孔外逐漸形成天然反濾層。洗井工作必須在下管、填礫后立即進行，以防止因停置時間過長，井壁泥皮硬化，不易破壞，造成洗井困難，影響水井的出水量。洗井工作必須延續到水清砂凈后才能終止。

本次試驗采用水泵洗井法，抽水洗井時，由于井水不斷地被抽出，井內水位下降，含水層中的水位也發生變化而形成漏斗狀，稱為“下降漏斗”。此下降漏斗增大了含水層向井內集中的壓力，因而增強了水流沖破井壁泥皮的力量。

在不段抽水的情況下，泥皮逐漸破壞含水層。含水層內的細小砂礫和滲入的泥漿便隨水流一同進入井內而排出井外，直至水清砂凈。粗骨料井的洗井應該是大強度，所謂的大強度，就是快速降低井管內的水位，使井管內外產生一定的水頭差，在水頭差的作用下，含水層中的水便以較高的滲透流速進入井管內，從而破壞孔壁泥皮，帶出井孔周圍含水層中滲入的泥漿和含水層中的細小顆粒，達到洗井的目的。

2.3.7 止水

在濾料下沉達到穩定后，井孔上部1～2 m范圍內封閉止水。主要方法是:在井管周圍開挖深度1～2 m的坑，填入粘土球或優質粘土塊，邊填邊夯實，直至井口。上部最好鋪設20 cm厚混凝土護面。

3 結語

通過粗骨料井運行至今，具有水躍值小、單井出水量大等特點，與使用的常規井比，單井出水量增大30%以上，由于出水量大，降到了運行成本，與常規井比運行成本降低11%左右，為貧水區開發利用提供技術支撐，為類似地區提供技術經驗和技術支持。對粗骨料井技術在同類地區進行推廣應用具有很高的社會經濟效益。

［1］李福杰，徐征和，周瑞，陳霄.臨清市貧水區新型取水井抽水試驗研究.中國水利水電.2010(7).

TD262.6+2

B

1004－1184(2012)05－0084－02

2012－06－25

郭印坦(1975－)，男，山東臨清人，工程師，主要從事農田水利工程和農村飲水安全工程建設與管理工作。