多層含水層分層止水技術研究進展

李曉龍，董書寧，劉愷德

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054；4.西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安 710123）

近年來因水文地質條件不清，造成礦井采掘失衡，礦井防治水工作難度加大，對煤礦安全生產造成嚴重的影響[1]。分層抽水可準確獲取地下水的水力學參數，取得含水層在空間的化學場、動力場、溫度場的數據，對于深刻認識水文地質條件，合理概化水文地質模型，精確評價地下水資源，指導礦井防治水工作，實現“保水采煤”的愿景，起著至關重要的作用。

早在20 世紀50 年代，我國水文地質工作者通常采取針對每1 個含水層施工1 個鉆孔，或按試驗含水層的順序，將含水層依次用套管隔開，以實現分層抽水，但此方法需花費大量的人力、物力和時間，尤其當鉆孔深度過大，含水層呈層狀結構時，施工難度更大。也有學者提出采用混合抽水的方法解決分隔含水層的困難，以求取各含水層的水文地質參數，但混合抽水結果往往無法分析，且計算公式復雜，求取的水文地質參數誤差較大，可見分層止水成井、分層抽水的重要性與緊迫性，為此我國水文地質工作者緊緊圍繞分層抽水技術的相關設備、技術、材料等方面開展了大量的研究工作[2]。

分層抽水的前提是止水成井，包括管外止水和管內止水，止水效果決定著分層抽水的成功與否，止水材料、設備則對止水工作產生直接影響[3]。現階段我國水文地質勘查分層止水技術已形成“異徑分臺階止水”、“一孔同徑，分層止水”；止水材料有水泥、黏土球、止水膠帶、海帶、黃豆、膨脹橡膠、油繩、油棉線、桐油石灰、牛肉、封隔器（Packer）等。2016年，中國地質調查局水環中心采用Packer 封隔分層止水技術圓滿完成了5 層水文地質鉆孔分層抽水試驗，是目前國內外最復雜的地下水分層抽水試驗。雖然分層止水技術已取得一些成績，但總的來說，針對不同地質條件、經濟條件、工況，分層止水技術應用仍較復雜。為此，對我國多層含水層分層止水技術的研究現狀進行系統總結，并提出存在問題及研究方向，以期為多層含水層分層止水技術提供借鑒。

1 異徑分臺階止水技術研究現狀

含水層的個數決定鉆孔結構，一般情況下，含水層個數與鉆孔孔徑級數相同，自上而下孔徑逐級減小，故通常采取多級擴孔，大徑成井，以下入多級井管、濾水管，實現分層止水。異徑分臺階止水技術包括自上而下分層止水、自下而上分層止水，一般同一鉆孔僅能做2～3 層抽水試驗。

1.1 自上而下分層止水技術

自上而下分層止水成孔工藝：一次成孔，逐層止水；分階段成孔，依次對各含水層分層止水。

1）管外永久止水，管內變徑止水。1984 年，金立元等針對潛水含水層、承壓含水層組分層抽水試驗，采用分層填礫、黏土球的方法進行管外止水，采用井內預設止水圓盤工藝進行管內止水，亦采用異徑截錐型濾水管接頭與特制的膠塞進行管內止水。針對承壓水頂托力過大造成井內止水塞無法下入的情況，在原膠塞的基礎上設計了能開、關的“卸壓活門”裝置，使膠塞順利下至止水位置，實現分層止水[4]。井結構示意圖、異徑截錐示意圖、特制膠塞示意圖、圓盤止水示意圖如圖1。2017 年，郝國利等人在張家口后備水源地勘查項目分層抽取2 層地下水時，采取大口徑一徑到底，管外填礫、黏土球止水，管內變徑止水，既實現分層抽水，亦可觀測上下含水層水位變化。管內變徑止水示意圖如圖2[5]。

圖1 管外永久止水、管內變徑止水示意圖Fig.1 Water-exclusion outside casing permanently, waterexclusion inside different diameters casing

圖2 管內變徑止水示意圖Fig.2 Water-exclusion inside different diameters casing

2）管外管靴止水，管內逐層抽水。1988 年，韓樹青在陜北煤田水文地質勘探時，針對松散含水層、承壓含水層分層止水，地層構造簡單，裂隙不發育的地層，采用管靴止水法，提出小口徑套管在止水位置焊接止水環，止水環下部纏繞1.2～1.5 m 長的油棉線，依靠套管自重將油棉線壓實坐于變徑位置，實現管外止水[6]。1994 年，國永久分析了管靴止水器的工作原理[7]。2013 年，李學良參考文獻[6]方法，在河南省平頂山市深部煤炭資源勘查水文孔分層抽水時，提出借助巖心管將黏土球、磚塊、掃把桿等送入到隔水層段合理位置架橋隔開上下含水層，隨之下入井管、濾水管，井管在變徑處連接止水壓盤實現管外止水，止水壓盤下部纏繞1 m 長的油浸棉盤根線，待抽取上層水結束后，拔出所有套管，下鉆透開架橋，再次擴孔，重復上述流程，抽取下層水[8]。2015年，張云峰、孫增兵、王斌斌等人也分析了管外變徑海帶止水的缺點[9]。

3）管外永久止水，管內雙封壓縮止水器止水。2008 年，張建良針對第四系2 個含水層分層止水，采用管外填礫、黏土球止水，管內止水裝置止水，包括壓縮止水器、雙封止水器、花眼鉆桿，止水材料為橡膠、海帶[10]。雙封壓縮止水器分層抽取2 層地下水示意圖如圖3。2013 年，邱長健、郭麗娟，2017 年，敖文龍等亦分析、借鑒此技術，實現了分層止水[11-13]。2017 年，何計彬等分析了此技術存在的問題[14]。另1994 年，國永久分析了異徑壓縮止水器工作原理[7]。

圖3 雙封壓縮止水器分層抽取2 層地下水示意圖Fig.3 The using of double seal compression water exclusion device in stratify extracting two layers of groundwater

4）管外止水圓盤止水，管內架橋止水。2007 年，王淑梅等在遼寧省康平縣某井筒檢查孔分層抽取4層地下水時，將焊接好的沉淀管、濾管、井管一次入井，管外各層變徑止水處預留止水圓盤，并用止水膠帶纏繞，管內3 處變徑均裝入長度不小于 5 m 的木塞，附黏土止水，實現管內架橋，待上部含水層抽水結束后，透開第1 個止水木塞，再次下入大于下一級，小于上一級井管的套管分隔上部含水層，逐次完成分層抽水[15]。2011 年，王海波針對兩淮煤田新生界松散含水層抽取“底含”水試驗，提出采用止水圓盤異徑壓力黏土加注漿法，即向止水圓盤上部井管與井壁環空注入水泥漿完成管外止水，止水圓盤下部第1 根套管內預制2 m 長的水泥柱，待環空候凝合格后，下鉆掃開水泥柱，抽取下層水[16]。

5）管外變徑止水，管內逐層抽水。2016 年，趙宗昌分析了逐層鉆穿含水層，下止水管隔離上部含水層，完成抽水試驗后，起拔止水套管，再鉆穿下部含水層以抽水的缺點[17]。

1.2 自下而上分層止水技術

1）管外止水托盤止水，管內止水圓盤止水。2004年，曾可平等在準噶爾盆地施工水文勘探孔，針對2層含水層分層止水，管外采取止水位置預先安裝2個止水托盤，附以海帶、錐形止水橡膠圈止水，管內隔水管底部焊接止水托盤，托盤底部安裝止水橡膠，或在托盤上部捆綁2～5 m 長的海帶以實現管內止水。隔水管底部預留水眼抽取下層水，之后可采取拔出抽水管，封閉隔水管進水口，選用灌滿鐵砂粉鋼管，利用反絲鉆具將鋼管送至變徑止水處，實現永久止水，亦可將下部抽水管拔出，封閉隔水管進水口，對托盤上部一定范圍內的隔水管割圓孔，使上層水進入隔水管[18]。2013 年，安文久在甘肅民勤縣水源孔兩層含水層分層抽水試驗中，亦采用此方法完成管外、管內止水[19]。

2）多級套管逐層完成分層止水。2015 年，張云峰、孫增兵等人在新疆準東煤田水文地質勘探孔分層抽取3 層地下水時，提出將鉆孔擴孔為三級孔徑，依次下入一級、二級套管至相應變徑處，且均在套管底部纏繞厚海帶止水，下入三級井管及濾管完成下部含水層抽水，之后拔出井管、濾管，注漿封堵該層，同理逐次完成上部含水層抽水[9]。

3）管外止水托盤止水，管內止水器止水。2016年，趙宗昌等以白水煤礦井筒檢查孔3 層含水層分層抽水試驗為例，采取鉆進至第一含水層底界時停鉆進行抽水試驗。下部2 個含水層采用小徑鉆至終孔，擴孔下入一級套管，套管外焊止水托盤隔開第一含水層，第二含水層下入二級濾管，第三含水層將鉆桿兼作出水管、止水管，并在鉆桿外焊接可壓縮止水器隔開第二含水層，待第三含水層抽水結束后，水泥封堵此含水層，再次抽取第二含水層水[17]。

4）管內膠塞止水，管外水泥止水。2017 年，萬億、韓柳等進行新疆伊犁谷地水文地質環境地質調查評價項目勘探孔分層抽取2 層含水層水時，采取大口徑一徑到底，下入二級井管、濾管，利用鉆桿通過井管與孔壁環空注水泥完成管外下部含水層止水，管內變徑膠塞止水[20]。

2 一孔同徑分層止水技術研究現狀

一孔同徑分層止水主要包括傳統分層止水技術、Packer 分層止水技術，傳統分層止水技術一般可實現2 層含水層的分層止水，Packer 分層止水技術可實現多層含水層分層止水。

2.1 傳統分層止水技術

1）管外止水器止水。1965—1978 年，云南省地質局第八地質隊設計鉆孔簡易同徑止水器，在止水位置孔壁處完成止水，止水材料為桐油石灰，實現一孔多用。止水器由異徑接頭、短管、巖心管接箍、連接鎖母和連接接頭組成，短管一般長0.8～1.2 m，若孔壁不完整可適當加長。止水器的下端連接支撐管（套管或鉆桿），當支撐管下至孔底，反轉止水管回動使連接鎖母與連接接頭脫離，止水管就壓縮止水物堵塞孔壁間隙，達到止水目的[21]。鉆孔簡易同徑止水示意圖如圖4。1994 年，東煤地質局國永久分層抽取2 層地下水，設計了同徑壓縮止水器，包括外套壓縮管、內套伸縮管，外套管下壓附在內套管上的止水材料，使止水材料在外壓環下部托盤間橫向膨脹，充滿孔壁和套管的空間，分隔上下含水層[7]。1994年，中國煤田地質總局第二水文隊王永全等在某礦區水源地大口徑井分層抽取2 層水時，利用止水器采取同徑止水法，結合鉆桿、單向逆止閥、水泥封隔上部含水層，候凝合格后，繼續鉆進下部含水層[22]。

2）管外永久止水，管內止水塞止水。1996 年，楊建新、劉王新在南陽油田水源地抽水試驗孔分層抽取2 層水時，采取大口徑一徑到底，管外填礫、黏土球止水，管內采用鉆桿、鋼板、橡膠圈制作的止水塞止水。為了克服抽上層水時，止水塞受水泵的抽吸作用和水頭壓力作用向上浮動，造成止水塞在井內錯位，以及抽完水后止水塞不易對扣拔出，特設計“籠狀式”吊裝水泵裝置[23]。

圖4 鉆孔簡易同徑止水示意圖Fig.4 Simple water exclusion with same diameter borehole

3）管外永久止水，管內反絲裝置止水。2008 年，張建良分析了2 層含水層常用分層止水方法的缺點，即管外填礫、黏土球止水，抽取上層水時管內采用鉆桿連接 7～10 m 長的反絲鋼管，鋼管外側加工3 組止水裝置，止水材料為膨脹橡膠，抽取下層水時采取自井口直接下入帶有 3 組止水裝置的鋼管至止水位置[24]。反絲鋼管止水示意圖如圖5。2017 年，何計彬等分析了此技術存在的問題[14]。

圖5 反絲鋼管止水示意圖Fig.5 Reverse steel pipe water exclusion

2.2 Packer 分層止水技術

2015 年，中國地質調查局水文地質環境地質調查中心吳宏濤、鄭繼天等依托“黑河流域重點地區水文地質調查”、“三江平原高標準農田區水文地質調查”項目，研制了地下水分層抽水采樣系統，主要由充氣封隔系統（Packer）、抽水系統、壓力傳感系統組成。將上、下充氣封隔器下入井中止水位置，使試驗目的層段與其上、下非目的層段隔離[25]。分層抽水原理示意圖如圖6，管內分層止水器具安裝示意圖如圖7，雙封隔器連接實物圖如圖8。2017 年，孫芳強等在新疆三工河流域采用此技術實現了第四系含水層同徑止水[26]。

圖6 分層抽水原理示意圖Fig.6 The principle of stratify groundwater extraction

圖7 管內分層止水器具安裝示意圖Fig.7 Installing of stratified water exclusion device in casing

2016 年，張建偉、楊卓靜等在黑河流域水文地質調查時，針對深孔分層止水，設計了封隔器，由高壓氮氣瓶、導氣管、膠桶和水管組成，封隔裝置放置于兩含水層止水實管處[27]。

2017 年，何計彬等在陜甘寧革命老區1∶5 萬水文地質調查項目中利用特制充氣膠筒式封隔器完成第四系、第三系3 個含水層的分層抽水試驗[14]。膠筒式封隔器抽水示意圖如圖9。

3 存在問題及研究方向

圖8 雙封隔器連接實物圖Fig.8 The connection of physical double packer

圖9 膠筒式封隔器抽水示意圖Fig.9 Rubber-sleeve packer in pumping water

1）異徑分臺階止水技術，隨著含水層個數的增多，井徑不斷增大，井壁穩定性差，井斜要求高，易出現擴徑現象，多級擴孔費用高，耗費管材多，技術操作難度大，止水效果較差，獲取的分層水文地質參數準確性較一般。因此亟待研究、推廣應用“一孔同徑Packer 分層止水”技術。

2）異徑分臺階止水技術一般僅能實現2 層含水層分層止水，雖文獻［15，17-18］完成了 3～4 層含水層的分層止水，但需多次下入、拔出多級井管、濾管，效率低下，止水效果的不確定性極大，可能造成止水失敗，或者鉆孔報廢，因此應重點研究簡化鉆孔結構，縮小井徑，一次成孔，節省管材的止水技術，或優化抽水次序，結合成井工藝，實現分層止水。

3）止水材料、器具宜采用無污染的多種材料相結合的方法，形成多層止水結構，確保止水質量。

4）目前管外止水主要采用填礫、黏土球的方法，二者的填入位置至關重要。若出現填礫超高止水位置的事故，處理無果會造成止水材料無法填入；若止水位置在300～500 m 時，無法實施常規黏土球止水。此時可重點嘗試采用雙封隔器灌注水泥分層止水技術實現分層止水。雙封隔器灌注水泥分層止水示意圖如圖10。

圖10 雙封隔器灌注水泥分層止水示意圖Fig.10 Cementing for stratified water exclusion

5）遇水膨脹橡膠作為一種新型的止水橡膠材料，具有優異的止水堵漏功能，既能適應結構變形，起彈性密封作用，又具有吸水膨脹，以水止水的特殊功效。因此應重點研發環保膨脹橡膠材料，提高止水性能，結合止水器具實現止水功能。

4 結 論

1）現階段，“異徑分臺階止水”管外止水通常采用填礫、黏土球永久止水，或者止水圓盤輔以止水材料止水；管內止水常采用膠塞止水器具，輔以止水材料止水，亦有采用管內架橋止水。

2）“一孔同徑分層止水”是多層含水層分層止水的主要發展方向，尤以Packer 分層止水技術為主，可真正實現“一孔同徑，分層抽水”，縮短施工周期，便捷獲取水文地質參數，亦可實現多層水文地質孔的長期分層監測。

3）管外填礫、黏土球止水，止水效果存在不確定性，可能出現填礫位置偏差等，因此在具體止水過程中，應綜合多種成井工藝、止水方法、止水材料、止水器具以實現分層止水。