寧夏地下水監測井成井施工工藝綜述

摘 要：地下水監測工程建設組織實施意義重大，事關區域地質環境、飲水安全和經濟社會的可持續發展等民生問題。成井工藝決定著國家地下水監測工程建設的質量；其包括鉆探成孔、電測井、井管安裝、濾料圍填及孔口封閉、洗井、抽水試驗、水樣采集化驗和井臺建設等。施工中要特別注意工序銜接，既保證施工質量又不能污染地下水，高質量的成井施工可為同類工程施工提供借鑒。

關鍵詞：地下水監測；成井工藝；鉆進技術

1 概述

開展地下水監測是統一管理水資源的一項基礎性工作，主要為地下水的合理開發利用、地質災害防治、地質環境保護等決策提供科學依據。為改變目前寧夏地下水監測工作在水資源管理和地質環境保護、地質災害防治方面滯后的局面；大幅提高地下水監測與信息服務能力；為寧夏經濟社會發展和生態環境保護提供可靠的技術支撐；迫切需要開展寧夏地下水監測井鑿井工程。

工程的開展能夠在寧夏全境建成較為完整的國家級地下水監測站點系統，形成全區地下水動態自動監測網絡，既有利于全區水資源的優化配置利用及生態文明建設，更有利于國家對水資源的戰略統籌。

2 鉆孔設計及成孔設備、工藝選擇

寧夏水利系統本次監測井共布設166處，其中新建井155處，改建井11處，施工地點分布在銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛市和固原市，設計井深15～154m，孔徑為400-450mm，井管為Φ200mm的PVC-U管。

本次監測井設備采用DDP-100汽車鉆、XY-300巖芯鉆機、GF250車載反循環鉆機、車載水文400型鉆機和CZ-85型沖擊鉆施工。成孔工藝采用回轉正、反循環鉆進、沖擊鉆進、沖擊和回轉相結合鉆進。

3 鉆進

3.1 鉆進方法選擇

鉆進方法、鉆井參數，泥漿，井管的材質及安裝，洗井的方法和時間等都影響著成井質量。鉆進技術是成井的質量和利用效率的關鍵步驟，國家地下水監測井工程設計中，對鉆井工藝及鉆進方法沒有具體的要求和規范。本工程根據監測井孔深、所處地層選擇不同的鉆探設備，在泥巖比較發育的地層或者“紅層”中鉆進，若是采用傳統泥漿正循環鉆進，必然會發生地層膨脹，卡鉆或者污染含水層現象，對下一步的洗井帶來麻煩。在覆蓋層較厚地區使用單純使用正循環又會使用水成本增加，在西北缺水地區，會增加成井成本。

在前期施工的78個鉆孔中，成井最大深度154米，最小深度15米，分別采用了沖擊鉆進，正、反循環鉆進技術。其中反循環成井52眼，正循環8眼，沖擊鉆18眼。結果顯示100米以內鉆進，反循環鉆井效率占優勢，鉆進效率分別是正循環的4.5倍，沖擊鉆的7.8倍，通過趨勢方程，可以計算出在42米深，正反循環鉆進效率相當，當井深大于42米時，泵吸反循環鉆進效率優勢明顯。

通過以上結果，可以看出在鉆進施工中，亦采用因地制宜的辦法，在覆蓋層埋深小于30米、含水層單一穩定，下部地層為基巖層或不易漏水的地層，因成本低，單純采用沖擊鉆；在覆蓋層較厚的地層，且下部漏失較為嚴重的地層正循環泥漿沖擊鉆進；在覆蓋層厚度小于42米的地層，采用泵洗反循環鉆進技術。

3.2 鉆進

根據地質條件及設計要求，鉆進施工采用小徑口徑Φ113mm鉆頭鉆進成孔至設計孔深，在粘土層鉆進時，適當加快鉆進速度，到砂層后考慮到砂層不易造泥漿，則放慢鉆進速度；鉆進過程中，孔內必須保持穩定的水位，缺水時需及時補水，以維持孔內水頭差，以防坍孔。

泥漿制備：可選用寧夏本地的紅粘土或直接采用膨潤土制備泥漿，泥漿比重一般控制在1.2～1.3左右，粘度16～22S；松散易塌地層控制在 1.4～1.5，粘度19～28S；含砂率≤4%，膠體率不小于95%，應根據地層情況做適當調整。

4 電測井

成孔后立即進行水文物探視電阻率測井，電測井采用梯度電極與地面電極在鉆孔中建立直流電場，測量延井軸分布的兩點之間的電位差來求取地層的視電阻率，根據視電阻率曲線形態劃分地層，確定其厚度，定量估算地層的電阻率和孔隙度，結合地層分析含水層厚度，進行水量初步估計。

5 擴孔、清孔、換漿

小徑取芯鉆孔施工完畢后，可采用正（反）循環逐級擴孔，擴孔至設計口徑及深度。

成孔后進行清孔、換漿。清孔的目的是清除孔底及沖洗液中的鉆渣，以確保鉆孔深度滿足要求。反循環鉆進方式直接用清水進行循環處理。

沖擊鉆及正循環鉆進方式清孔后必須徹底將孔內比重較大的泥漿予以置換，以防止孔壁形成泥皮影響出水量并有利于圍礫的順利進行，且在鉆進至設計深度后，可稍稍提起鉆頭，同時保持原有的泥漿比重進行循環浮碴，隨著殘存鉆碴的不斷浮出，孔內泥漿比重和泥質含量不斷降低，然后注入清水繼續循環置換，隨時檢查清孔質量；孔底沉碴也可以采用反循環泥漿泵吸出的方式進行清孔。沖擊鉆及正循環鉆進方式孔內泥漿應符合下列規定：泥漿密度小于1.05g/cm3，含砂率<8%，粘度17～20s，膠體率>98%；井內沉淀物厚度，小于井深的5‰。

6 井管安裝

根據鉆進中取得的地層巖性鑒別資料及測井解釋成果，綜合確定含水層位置、厚度，據此合理確定井管安裝方案。

6.1 材料選用

井壁管采用外徑200mm、壁厚9.6mm的PVC-U管。PVC-U管具有質輕，搬運裝卸便利：流體阻力小，機械強度大，電氣絕緣性佳等優點；而且PVC管由溶解試驗證實不影響水質，因此作為地下水監測井井管材料的最好選。

濾水管采用割縫式PVC-U管，縫寬1mm，縫長50mm，間距20mm，開孔率為12%。在施工過程中在濾水管上包80～100目的紗網2～3層，以保證良好過濾效果。

6.2 井管安裝工藝

井管安裝之前必須將孔內泥漿用比重小的泥漿或清水予以置換，且孔深應滿足要求，以保證井管安裝、填礫和洗井工作的順利進行。

探孔：為保證井管安裝能安全、順利地進行，在井管下入前要進行探孔，所用探孔器直徑比孔徑小20mm，長度為5～8m的鋼管，經探孔確認鉆孔圓直、暢通無阻后方能安裝井管。

配管：根據井管安裝方案，將各類井管按順序編排，用鋼尺丈量每根井管的長度，并按下管的順序給每根井管作上編號，防止出現錯亂。配管時應全面檢查井管質量，仔細檢查螺紋配合情況，并將螺紋洗刷干凈。

根據設計井管安裝方案，核對井壁管、過濾管、沉淀管的長度和下置位置。采用提吊下管法；PVC-U管采用螺紋絲扣連接，沉淀管底部封底。

7 濾料圍填

7.1 濾料選用

本工程選用粒徑2～5mm、級配良好且磨圓度較好的綠豆砂，濾料不得含有泥土或雜物。濾料除應按計算量儲備外，還應準備一定余量。

7.2 濾料圍填

濾料圍填是管井建造中的一個重要環節，填礫規格、質量、方法均直接影響管井的質量。根據監測井井管安裝設計，確定濾水管位置及高度，應自濾水管底端以下1m處至濾水管頂端以上3m處圍填濾料。

填礫方法根據地層情況、成井深度、所采用的鉆探設備等確定，常用填礫方法為動水投礫或靜水投礫法。采用動水填礫前，先在井管內下入鉆具，密封井口，開泵送水，當孔口返水時，即采用邊送水邊填礫的方法填入礫料。當礫石面超過最高一組濾水管后即出現憋泵現象。此法可避免發生礫石架阻搭蓬事故。填礫時必須連續、均勻、速度適當，且要隨時測量填礫的實際高度，核對數量，如出現搭蓬現象，要停止投礫，及時進行針對性處理。采用靜水投礫時速度不宜太快，不能整車倒入，要沿著井壁四周均勻填入，不允許只在一個方向上填入，不論鉆孔深淺，填礫必須一次完成，不能中途停歇，以免濾料分選和井壁坍塌。

8 止水

8.1 止水材料選用

本工程止水材料選用優質半干狀粘土球，球徑20～30mm，用前制好陰干，達到表面稍干，內部濕潤柔軟為宜，含水量約為20%。實際準備數量比計算數量多25～35%。投入前，先取孔內泥漿進行崩解時間試驗。

8.2 止水效果檢查

設計確定的止水層段，應準確對應于隔水層部位，防止錯位失效。止水界線應超過被封閉的含水層頂3m、底板1m。止水后要進行止水效果檢查，確保止水效果可靠。濾料頂端至井口孔段必須進行止水封閉。

止水效果可采用壓力差檢查法，即先測得管內管外的穩定水位，然后進行抽水，使管內外形成較大的水位差，半小時后觀測管外水位，其水位波動值（變幅）小于0.1m，則止水效果良好，若水位水位波動值（變幅）大于0.1m，則止水效果差，止水失效要重新進行止水。

9 固井及洗井

填礫至設計高度經止水檢查合格后，將止水部位以上的孔段用粘土球徹底封死、填實，防止監測井在使用過程中出現地面塌陷或出現地表水滲入及因淺部井管因晃動發生折斷損壞。

根據各地區含水層巖性特征、監測井結構和井管管材實際情況，本工程采用抽水洗井方法。洗井應達到以下效果：（1）連續兩次洗井后單位出水量增加值小于10%；（2）現場用量杯接取水樣進行含沙量的測定，含砂量的體積比小于1/20000，達到水清沙凈的效果；（3）井底沉淀物厚度應小于井深的5‰。

10 抽水試驗

10.1 抽水前的準備工作

選擇排水場地，挖好排水溝，安裝三角堰；安裝抽水設備，泵頭不得置于過濾器部位。

抽水2小時后停抽觀測靜止水位，一般每小時觀測一次，當最后連續4小時水位無持續上升，且波動值小于2cm時，即可終止觀測，此時的水位即為靜止水位。

10.2 抽水試驗

采用單孔穩定流抽水試驗，抽水試驗的水位降深次數為3次。抽水試驗時，水位和出水量同步觀測，應在抽水開始后的第1、2、3、5、10、15、20、25、30min時間點進行觀測，之后每隔30min觀測一次；抽水過程中出水量和動水位與時間關系曲線只在一定的范圍內波動，且沒有持續上升或下降趨勢的要求，水位的波動值應小于5cm；水量的波動值≤5%；抽水試驗的穩定延續時間應符合下列要求：卵石、圓礫和粗砂含水層為8h；中砂、細砂和粉砂含水層為16h。抽水試驗時，應采取有效措施，防止抽出的水在抽水影響范圍內回滲到含水層中。抽水試驗結束后，測量孔深。

10.2.1 水位觀測

在同一試驗中應采用同一方法和工具。水位測量應讀數到厘米；采用三角堰箱量測時，堰口讀數精確到毫米。

10.2.2 溫度的觀測

抽水試驗開始后應及時測量水溫和氣溫并記錄，試驗開始后每30min應測量水溫和氣溫并記錄。

11 井口保護設施

11.1井口基礎處理

為了保證井口基礎具有足夠的強度特性、變形特性、滲透特性。進行井口基礎處理。它是關系到井口保護設施及儀器設備能夠正常安裝、穩定運行的關鍵。

井口基礎分為上部和下部，基礎上部為圓柱體，基礎下部為長方體。采用C25混凝土現場澆筑，設計高度為H+200mm（H為當地的最大凍土深度，無凍土地區H取值200mm）。其中配有12根φ8mm的豎筋，φ8mm間距為150mm的箍筋。為保證施工的工程質量，處理基礎墊層時，基礎底部用素土進行夯實處理，厚度100mm。使用混凝土澆筑基礎墊層厚度100mm強度C15。

11.2 井口保護設施

上蓋：材質與保護筒保持一致，滿足與保護筒緊密相連，并具有防水功能。

通訊蓋板：使用非金屬對通信信號衰減小的專業材料，具有抗沖擊、抗老化、耐腐蝕、耐高溫低溫的性能；通訊蓋板與上蓋應安裝牢固，并有可固定通訊天線的裝置；上蓋與保護筒通過轉軸和專用鎖具連接，當上蓋打開時，可以與保護筒保持90度夾角，能夠放置移動數據識讀轉儲設備或水位巡測設備。

通氣孔設計：井口保護裝置口均勻分布6個凹槽，深度3mm，當上蓋關閉后起到防水透氣作用。

12 技術難點及重點

12.1 鉆進成井

監測井的布設的目的不同，選取位置不同，遇到的地層巖性也不同，這就為鉆進工作帶來一定的難度。寧夏水利監測井的布設主要集中在沿賀蘭山、衛寧北山、其他典型山地山麓、小流域、主要城市等區域。目的是監測山前（小流域）水資源水文參數，包括地下水的補給、水質及洪災情況以及人類活動對水資源（水質、水位、水量）的影響。其中山前山麓地帶及小流域河流沿線，巖性主要是山前洪積物及河流洪流沖積物及細砂粘土構成，結構松散，卵粒石層分布廣且厚，膠結程度差，架構松散雜亂，卵粒石層及砂層容在鉆探中容易出現坍塌及擠、卡鉆現象，且卵礫石層受水位影響容易出現漏水或涌水現象，還有部分泥漿會污染地下水，復雜地層巖性及地下水造成效率低，事故多，造成鉆探成本增加。

對于卵礫石層中，卵礫石粒徑大小不一，分選較差的情況，為提高成井效率，對卵礫石層中存在粒徑大于60mm卵石的地層，一般采用沖擊鉆鉆進。遇到特殊情況，比如在施工中遇到孔深154m鉆井，我們采用聯合鉆進法，即120m以淺，采用沖擊鉆鉆井，120m以深采用正循環，采用該種方法不但的提高的鉆進效率，還降低了事故概率。

對于卵礫石層中，顆粒粒徑小于60mm的地層，根據結構、膠結情況進行區別對待，顆粒結構松散，分選較差，膠結不好的地層，亦采用沖擊鉆；分選與膠結均較好的地層，采用回轉式正循環方法鉆進。

遇到顆粒物小于1mm，且分選較好的地層，最適宜使用泵吸反循環鉆進方式。

12.2 洗井

洗井質量的優劣關系到監測井內地下水動態變化是否靈敏，是監測站成敗的關鍵，因此洗井質量在整個監測井施工過程中尤為重要。不同的鉆進方式，因為其原理的差異，對井壁的影響也不一，反循環鉆機成井后對井壁的影響最小，因此洗井也非常順利簡單，可根據實際情況處理。沖擊鉆和正循環鉆機因為在鉆進中要維持井壁穩定性，采用的粘土或者膨脹土泥漿進行護壁減壓，在成井后在井壁上形成一層保護層，不利于出水與洗井。

具體施工中有井管采用了無縫鋼管，這種井壁進行洗井可以利用活塞洗井法，利用活塞原理將地層中的來水通道通過負壓清洗干凈，此種方法洗井效果相當不錯。這種方法中砂以上松散粗顆粒地層中的井管是普遍適用的，它具有成本低，洗井效率高，質量好，并能克服其它機械洗井法不易奏效的優點。采用PVC-U管材質的鉆井，因為其重量輕，特別是在鉆進泥漿稠度較大的粗顆粒地層中，活塞洗井方式負壓較大，其巨大抽吸力容易把地層中的細小顆粒大量吸向井的四周，嚴重時可引起涌砂或堵塞井壁進水通道，甚至損傷井管。因此，不能適用。因此，我們采用空壓機（泵吸）洗井方法，利用震蕩原理，沖擊破壞井壁，以此達到洗井目的，特別是在細流提升到動水位以上相當高粉砂含水層中，然后再落回到井中，產生細顆粒或存在其夾層的情況下，采用空壓機洗井具有較佳的效果。

13 結束語

地下水監測井工程意義重大，事關地區水安全戰略，對地區地質環境，水源安全，和社會經濟的發展都有巨大的影響。（1）成井工藝決定了地下水監測井的工程質量和效果，要獲得優質高效的成井，工藝是關鍵，整個過程嚴格按照成井工藝施工步驟實施，不但工程質量有保證，又不會造成地下水污染的地質環境問題。（2）合適的鉆進方法不僅提高鉆進效率，還提升洗井質量；為充分滿足監測井的監測需求，經過多井實踐證明，井深大于42米時亦使用泵吸反循環鉆井方法，在成井效率上有極大優勢。（3）井管材料選擇是成井質量的基礎保證，基于PVC-U管在材料、物理、化學性能方面的優越性能，PVC-U管是成井管材亦最佳選擇。（4）嚴格的施工組織管理是高質量成井的措施保證，技術人員要認真學習相關規范及成井設計，施工人員要科學組織、精心施工。

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作者簡介：李春生（1968，03-），男，漢族，寧夏銀川人，本科，高級工程師，主要從事礦產勘查方面的工作。