新型濾水套管技術在東寧地區水文地質鉆探中應用

劉建宇，黃偉，高博，王剛

中國地質調查局牡丹江自然資源綜合調查中心，黑龍江 牡丹江 157021

0 引言

我國的水文地質鉆井技術，對于施工相對穩定的地層時，技術比較成熟，同時形成了相應的施工規范和技術體系，但是常規水文地質鉆探施工工藝不適用于含有漂石、卵礫石不穩定第四系覆蓋層。本文依托“東北邊境琿春—東寧地區綜合地質調查”項目水文地質鉆探施工任務，緊跟水文鉆井行業的新形勢，不斷發展自己，自主創新，選用氣動潛孔錘鉆進工藝首次配合使用新型濾水套管用于在松散第四系施工水文地質鉆孔，開展抽水試驗，了解工作區含水層深度、厚度和富水情況。

1 新型濾水套管的設計

1.1 與以往工藝對比

工作區第四系結構松散，含較豐富的地下孔隙潛水，傳統工藝施工此地層時，主要采取泵吸反循環鉆進、正循環回轉鉆進和沖擊鉆進，成井后下入濾水管，而后進行填礫等。在松散地層或破碎帶地段鉆進時，施工過程極易塌孔，時常會發生漏漿情況，易造成卡鉆、埋鉆事故。常規濾水管在第四系水文地質鉆孔中不能完全滿足濾水需求而發生涌砂狀況，使孔隙被堵塞, 造成出水量減少，甚至淤塞井管而喪失出水能力。

為此，結合施工作業經驗及規范要求，針對以往工藝容易出現的問題，筆者改進一種配合氣動潛孔錘跟管鉆進的新型濾水套管。主要做了以下5個方面的改進：一是增強過濾性和透水性，使出水量更均勻；二是增大孔隙率，取得更大出水量；三是優選施工工藝配合新型濾水套管提高鉆進一次成井能力、提高鉆進效率，加強對井直徑和垂直度的控制效果，解決破碎巖層掉落的問題；四是縮短施工周期，提高鉆進速度，減小對環境的污染；五是增強井管強度，增加耐腐蝕性，消除涌砂影響，保證水井壽命。新型濾水套管與傳統濾水管相比，優勢主要在于不僅滿足了潛孔錘跟管鉆進過程中套管護壁的要求，而且同時滿足了濾水需求，兼有套管護壁和濾水管濾水的功能。

1.2 重點設計工藝

這種新型濾水套管(圖1)，包括主體組件、濾水組件和加固組件，所述主體組件包括管體和接頭，骨架由開孔的鋼管或鑄鐵管組成，主要起到跟管護壁和二次過濾作用，通過通孔和兩個過濾層的設置，配合管體使用。

圖1 濾水套管結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of water filter casing structure1.花管;2.濾筒布;3.固定螺絲;4.壓條;5.尼龍繩;6.承接口;7.布孔區;8.非布孔區

所述濾水組件安裝于所述主體組件的外側壁，濾水組件包括通孔和過濾層，管體的外側壁等距分布開設有通孔，管體的外側壁設有兩層濾布，形成濾布筒過濾細粒物質，濾布筒采用滌綸或丙綸經機械加工，形成堅韌的無紡布或者過濾布[1]。

加固組件安裝于所述濾水組件的外側壁，加固組件包括尼龍繩、壓條和緊固螺絲。

為適應不同施工條件和技術要求，濾水套管設置11種口徑(表1)和3種長度規格，濾水套管長度分為1 m、3 m、6 m三種規格，配合相應的鉆頭孔徑為75～455 mm。

表1 濾水套管規格表

1.3 改進后的優點

(1) 適用范圍廣：改進之后的新型濾水套管配合氣動潛孔錘鉆進工藝，適用于大部分第四系，尤其對卵礫石層及破碎含水層鉆進有效，不僅滿足了潛孔錘跟管鉆進過程中套管護壁的需求，同時滿足了高效濾水需求，解決了松散第四系含水層水文井成井困難的問題。

(2) 進水效率高：新型濾水套管的孔隙率可達35%，較傳統濾水管提高了約5%，地下水可以更容易通過孔隙進入井內，從而獲得更大的涌水量。

(3) 施工周期短，成井速度快：可以隨潛孔錘跟管鉆進一次成井，僅需下入少量礫料甚至不需要下入礫料，避免了下入礫料過程中堵塞的問題，降低了勞動強度，提高了施工效率。

(4) 使用壽命長：濾水管具備足夠的強度，能承受施工過程中的沖擊力、剪切力，井內側向擠壓力。還具有較高的抗腐蝕能力，不受涌砂的影響，不易阻塞，不易結垢，耐用可靠，使水文地質鉆井擁有較長使用壽命。

2 新型濾水套管施工技術要求

2.1 方法選擇與觀測要求

在施工過程中，筆者選用了成井質量好、施工程序相對簡便、鉆進效率較高、綜合經濟效益高的氣動潛孔錘跟管鉆進工藝配合新型濾水套管進行施工。

在水文地質觀測時，使用鋼尺水位計觀測水位，包括鉆孔中水位的變化(誤差≤1 cm)、孔口返水情況、水溫的異常等。記錄初見水位孔后24 h靜止水位，孔內涌、漏水等情況[2]。觀測終孔水位和初見水位的差別判斷區分承壓水和潛水。兩者的主要區別在于當靜止水位高于初見水位時，判斷為承壓水；當靜止水位大致與初見水位相等時，判斷為潛水[3]。氣動潛孔錘鉆進過程中，隨著鉆孔向下接近初見水位，孔口噴射出的巖粉會從干燥逐漸變得濕潤，通過換算鉆桿長度即可確定初見水位深度[3]。

2.2 鉆進技術參數要求

(1) 進時：開始鉆進時，以低速低壓進行，當鉆入地層0.1 m后，按正常轉速、鉆壓鉆進。

(2) 供氣量：氣動潛孔錘所需供氣量(排渣通道上的上返速度)控制在8～15 m/s，比其氣動潛孔錘額定供氣量大20%左右。

(3) 氣壓：送氣壓力大于孔內最大的啟動氣壓和運行潛孔錘工作氣壓之和[4]，控制在1.0～2.0 MPa。

(4) 鉆壓：根據鉆孔揭露地層信息，鉆壓控制在16 kN左右。

(5) 轉速：轉速在施工過程中依據實際情況適當調整，確保鉆機平穩運行[5]，控制在30 r/min。

2.3 施工操作技術要求

(1) 開孔前檢查組合鉆具。螺紋連接緊密，絲扣良好，偏心鉆頭用手轉動靈活；濾水套管無變形且無裂紋。

(2) 組合鉆具進入濾水套管內時，應使濾水套管與組合鉆具基本同軸，鉆頭應完全退回，不得旋轉套管，不得使用沖擊器使鉆具強行通過濾水套管鞋。

(3) 開始鉆進前，超前鉆頭應緊貼固定在導向裝置上，每個聯接處緊固牢靠。

(4) 第一根濾水套管偏斜度控制在1‰左右，不得超過2‰。

(5) 鉆進中應頻繁地竄動鉆具，以便沖洗鉆屑，盡可能使濾水套管柱在孔內松動。

(6) 在停止鉆進和重新開始鉆進前，應徹底沖洗鉆孔。

(7) 提鉆前應將濾水套管固定住，提出偏心鉆頭時，將鉆桿柱緩慢提升至鉆頭接觸套管鞋下側位置，然后將鉆桿柱下放10 mm，緩慢反轉鉆柱2轉，提出鉆具。

(8) 若提鉆后濾水套管下沉，在下鉆前將濾水套管上提200 mm[6]。

2.4 其他技術要求

含水層位置判斷直接影響濾水套管跟進位置和數量，也是水文地質鉆探工作中的重要一環,在鉆探工作中應著重關注主要的含水層,每回次鉆探深度不宜大于0.50 m，含水層位置判斷，要依據地質人員現場跟班的記錄。方法如下：

一是通過目測法判斷，在施工不同時段鉆孔涌水量會有變化，一般進入含水層位置會有水從孔口溢出。

二是通過匯集孔內溢出的水量變化情況，檢驗鉆孔穿越地層是否是含水層。

三是可以通過噴出地表的巖粉鑒定巖性判斷含水層類型。根據鉆機運行的平穩程度及進尺快慢判斷是否為破碎帶。在鉆進過程中全載的情況下，鉆具由平穩鉆進突然上下跳動，鉆進中發生掉塊、坍塌、卡鉆或者鉆具突然下落，鉆機也隨著抖動，孔口上返的巖粉含較多砂礫、卵礫石并且磨圓度和分選性好壞，可考慮該段巖層判定為含水層[3]。

四是根據工作區特有的地層地質年代特征以及成因類型判別含水層的位置。鉆進中遇上濕潤的更新統及全更新統沖積砂、砂礫石，多判定為含水層[7]。鉆進中遇新近系上新統玄武巖，柱狀節理與氣孔發育，多判定為含水層。鉆進中遇到下白堊統龍井組砂巖、砂礫巖，可判定為含水層。鉆進中遇花崗巖等風化帶，巖體結構面裂隙發育，裂隙面有綠色水銹，可判定為含水層[8]。

3 新型濾水套管的應用

為了驗證新型濾水套管的濾水和鉆進效果，在“東北邊境琿春—東寧地區綜合地質調查”項目ZK01號水文地質鉆孔進行了應用示范。根據應用地質綜合調查中水文地質鉆探質量標準和要求的特殊性，結合施工實踐經驗，確定適合應用地質調查水文地質鉆探配套的設備，優化鉆進參數，規范鉆進操作要求。充分利用工作區已有鉆探資料，掌握工作區地層情況，了解含水層位置，為新型濾水套管的應用提供依據[9]。

3.1 水文鉆孔基本情況

結合已有水文地質資料，工作區內含水巖組按其含水類型可分為3種類型，松散巖類孔隙含水巖組、巖漿巖類裂隙含水巖組和碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組。松散巖類孔隙含水巖組，分布在較大的溝谷中，由上更新統及全新統沖積砂、砂礫石組成，顆粒大致從漫灘至階地由粗變細，含水層變薄，賦存孔隙潛水，富水性隨含水層厚度不同而變化，單井涌水量一般100～1 000 t/d；巖漿巖類裂隙含水巖組，分布在北部和南部低山區，主要由花崗巖、玄武巖等組成，地下水賦存于風化裂隙中，風化帶厚度隨地貌、巖性而異，含水層厚度30 m左右；碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組，主要分布在中部綏芬河河谷地帶，由砂巖、砂礫巖組成，其中賦存裂隙孔隙水，具承壓性質，推算涌水量100～500 t/d(1)劉萬輝, 鄭廣橋, 李龍, 等. 黑龍江省區域地質礦產調查報告[R] .哈爾濱：黑龍江省地質資料檔案館，2014.。

3.2 設備的選擇與配套

施工地區選擇在地勢平坦，第四系覆蓋的區域，且孔深在50 m以內，因此采用型號與鉆進深度相匹配的履帶型鉆進行鉆進，以提升施工效率[10]。選用徐工160型履帶式氣動潛孔錘鉆機(表2)，該鉆機配有動力頭鉆機，可張開和回縮的氣動潛孔錘偏心鉆頭，可以進行同步跟管作業的搓管機構，滿足鉆進深度和鉆孔孔徑能力的空壓機。

表2 水文地質鉆機配套裝備表

設計鉆孔應考慮抽水試驗要求，抽水試驗應滿足下入不小于200 mm口徑的新型濾水管，并確保濾水套管外有足夠的空隙。通過估算涌水量確定潛水泵型號，按照含水層位置和隔水層厚度，確定止水位置。施工時同步跟進新型濾水套管，采用黏土、木塞、海帶綜合止水，管壁不投礫料或者根據實際情況投入少量二氧化硅粒料。當水文井進完成后，依據揭露的地層結構、水位等情況，選擇適當的方法計算含水層滲透系數和單井最大出水量等[11]。

3.3 抽水試驗驗證

以水文地質鉆孔ZK01為例，抽水試驗孔孔徑φ220 mm，成孔深度30.5 m(圖2、圖3)，垂直揭露的地層主要為第四系含水層，估測涌水量較大，故本次試驗采用單孔潛水完整孔穩定流抽水試驗，抽水試驗時及結束后對水位進行觀測，繪制了相關曲線并計算了有關水文地質參數。

圖2 ZK01鉆孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of ZK01

圖3 ZK01鉆孔施工照片Fig.3 Borehole construction photo of ZK01

本次抽水試驗按《供水水文地質勘察規范 GB50027-2016》《1∶50 000 應用地質綜合調查測量作業規程》《1∶5萬水文地質調查規范》相關內容執行。

根據抽水階段數據繪制降深S和時間t數據曲線(圖4)，從曲線可以看出抽水穩定時間持續390 min，水文孔水位波動值未超過3.0 cm，根據抽水試驗技術要求及其他技術要求參數從工程實用觀點出發，為了簡化計算，采用比較成熟的穩定流理論，因此，本次抽水試驗按穩定流問題處理。

圖4 ZK01單井穩定流水抽水試驗水位降深S-t曲線Fig.4 Water level drawdown S-t curve of ZK01 single well steady flow pumping test

根據抽水試驗水位恢復階段數據繪制降深S和時間t數據曲線(圖5)，從曲線可以看出抽水穩定時間持續80 min，可視為水位已恢復穩定。

圖5 SQZKS04單井穩定流水抽水試驗水位恢復S-t曲線Fig.5 Water level recovery S-t curve of SQZKSD04 single well steady flow pumping test

本次抽水試驗揭露了整個第四系松散巖類孔隙潛水含水層，并進行了止水處理。因此本次抽水試驗鉆孔為完整孔，可以應用潛水完整孔裘布依公式，庫薩金經驗公式求滲透系數K、影響因子R和導水系數T，公式如下：

(1)

(2)

T=K×H

(3)

式中：K——滲透系數(m/d)；

T——導水系數(m2/d)；

R——影響半徑(m)；

Q——單井涌水量(m3/d)；

H——潛水含水層厚度或潛水水頭高度(m)；

rω——抽水井的井半徑(m)；

Sω——抽水井的水位降深(m)。

通過上述公式的計算，可以得出滲透系數等基本水文地質參數(表3),不同降深不同水泵型號不同安裝位置出水量不同，所以在不影響周邊已有水井取水和不破壞地下水的現狀前提下，確定允許降深，從而確定出水量、水泵型號及安裝位置。

表3 水文鉆孔單孔裘布依公式計算結果表

3.4 計算結果及評述

采用單井穩定流抽水試驗法，利用裘布依公式計算得到滲透系數K=2.194 m/d，導水系數T=47.30 m2/d，影響半徑R=18.57 m。

含水巖組富水性是根據鉆孔單位涌水量進行劃分。換算成以抽水鉆孔口徑為91 mm，抽水降深10 m時的涌水量。本次抽水只有一次抽水降深，采用下列公式計算降深10 m時的涌水量[2](表4)。

表4 ZK01鉆孔涌水量換算結果表

(4)

式中：Q10——換算成10 m降深時的鉆孔涌水量(m3/d)；

Q0——鉆孔實際涌水量(m3/d)；

S——鉆孔實際抽水降深(m)；

S10——換算10 m降深(m)；

H——潛水含水層厚度(m)。

鉆孔口徑變換后的涌水量計算公式，采用下列經驗公式：

(5)

式中：n=0.73+0.27d0/d0=1.353;

d10——換算10 m降深時的鉆孔口徑(m);

d0——實際抽水孔口徑(m);

Q富——換算成鉆孔口徑91 mm降深10 m時的涌水量。

通過口徑換算公式計算得到Q富為298.28 m3/d，大于100 m3/d，小于500 m3/d，因此將該處第四系松散巖類孔隙水含水層的富水性定性為中等。

本次試驗采用單井穩定流抽水試驗法對水文地質參數進行了計算[13]，抽水試驗水位流量變化符合水位穩定標準，用裘布依公式和庫薩金經驗公式計算了滲透系數和影響半徑，與該地區的水文地質經驗參數基本一致，計算結果可靠，驗證了新型濾水套管的合理性實用性。

4 結語

新型濾水套管技術配合氣動潛孔錘施工工藝，適用于大部分第四系，對卵礫石層及破碎含水層鉆進極為有效，顯著提高水文地質井的成井效率。新型濾水套管不僅滿足了潛孔錘跟管鉆進過程中套管護壁的需求而且同時滿足了高效濾水需求，可以隨潛孔錘跟管鉆進一次成井，施工周期短、降低了勞動強度，解決了松散第四系含水層水文井成井困難的問題。通過實際驗證得出新型濾水套管進水效率高，出水均勻，強度大，只需下入少量礫料或者不需要下入礫料，具有廣泛的應用前景。