大荔地区粉细砂地层成井措施的探讨_王亚辉.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:王亚辉，李青青 大荔地区粉细砂地层成井措施的探讨 J 城市勘测，2023(1):205208文章编号:16728262(2023)0120504中图分类号:P64172文献标识码:B大荔地区粉细砂地层成井措施的探讨王亚辉1*，李青青2*收稿日期:20220629作者简介:王亚辉(1990)，男，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察设计及地质灾害治理。Email:793601507 qqcom(1.陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安710054;2.宝鸡市测绘院，陕西 宝鸡721001)摘要:针对陕西省渭南市大荔地区粉细砂地层成井难的问题，本文对影响粉细砂地层成井质量的因素进行了讨论，在分析粉细砂地层成井产生涌砂及出水量小问题成因的基础上总结了以往解决粉细砂地层成井的方法。根据工程实践经验提出了取芯钻机及水文钻机相结合的方式成井、采用无缝钢管及双层缠丝过滤器成井、抽水填砾等新的举措，对该地区粉细砂地层成井具有工程借鉴意义。关键词:粉细砂成井措施;涌砂;出水量小;双层缠丝过滤器;抽水填砾1问题的提出渭南市大荔地处关中盆地东部，黄、洛、渭三河交汇之处，区内地貌以黄土台塬、黄土堆积的冲积阶地和河漫滩为主，地形平坦开阔，非常适宜耕种。农田耕种，灌溉水源尤为重要，根据区域水文地质资料，大荔地区农田灌溉水源多取自第四系松散孔隙潜水承压水含水层，岩性以粉细砂为主，在该地层中成井通常出现两种问题，一种是出水含沙量大，水质浑浊，无法正常使用;另一种是出水量偏小，机井使用寿命短。为何会出现以上问题，如何解决以上问题是粉细砂地层中成井的关键。2影响成井质量的因素管井施工是一项综合性工程，由钻探及成井两部分组成，主要受地质情况、成井材料和施工工艺三方面因素影响1。2.1地质情况准确判断地质情况是影响管井施工成井质量的先决因素。管井施工前，首先要收集该地区的区域地质资料，根据地层特性，选取与之相适宜的钻探机具与方法，保证成井质量;成井过程中，还应根据钻探进尺快慢、钻压声音、岩芯及岩屑特征初步判层，然后对照测井曲线，准确判别地层岩性、含水层位置及其特性，为管井设计提供依据。2.2成井材料成井材料是影响成井质量的重要因素，主要包括井管、过滤器、滤料等。(1)井管主要具有钢管、水泥管及 PVC 塑料管三种类型，其力学特性、抗腐蚀能力、重量及经济性各有差异，适用性不同，井管选择是否合适，直接影响成井质量。(2)过滤器及滤料的选择与含水层的特性有直接的关系。常用的过滤器有三种，分别为填砾过滤器、缠丝过滤器及包网过滤器，其中缠丝过滤器相对适合粒径较大的含水层，包网过滤器相对适合粒径较小的含水层，填砾过滤器适用面最广，但填砾砾料的规格应严格按照含水层粒径选择。过滤器及滤料的选择直接影响出水质量及大小。2.3施工工艺管井施工工艺的影响成井质量的关键因素，分为钻探工艺及成井工艺两部分。(1)钻探工艺钻探工艺包括钻具选用、钻压的控制、转速的选择、泥浆的制备等，钻具、钻井参数选用不当、钻压过大、泥浆配比不合适可能引发缩径、井斜、井壁坍塌等问题，导致成井时井管无法顺利到位、过滤层厚度不均，从而影响成井质量。(2)成井工艺成井的工序较多，一般包括测井、冲孔替浆、下管、投砾、止水、洗井等，成井过程中冲孔替浆不彻底、井管不垂直、焊缝不牢靠、投砾时滤料搭桥、洗井方法选用不当均会或多或少地影响最终的成井质量。3粉细砂地层成井出水涌砂或出水量小原因分析大荔地区粉细砂地层中成井出现抽水出砂或出水量少其实分别是成井措施应对不足和过当的表现，具城市勘测2023 年 2 月体原因有如下几点:3.1含水层判层不准目前水井施工，为了节省工期，多采用不取芯牙轮或刮刀钻进，小径一径到底，后二次扩孔成井的工艺。该工艺由于无法取芯，只能依靠泥浆携带物及测井资料判层。粉细砂地层由于其岩性十分松散，井壁极易坍塌，导致泥浆的携带物较为复杂，只是通过泥浆携带物无法准确判层。再者，粉细砂地层颗粒较细，与黏土等地层粒径相差不大，测井时电阻率变化不明显，测井曲线差异性小，准确解释地层岩性亦有困难。地层岩性无法准确判断，下管时可能发生过滤器错层，出现出水量偏小的问题。3.2成井材料选择不当大荔地区农用机井多采用水泥管成井，主要因为其造价低、原料来源容易、制造方便，但也因水泥管强度低、质量不稳定、管接头密封性差，导致其抽水时易涌砂，久而久之，寿命减短，机井报废。粉细砂地层因为颗粒粒径小，适合包网过滤器和填砾过滤器，钻探时如果没有对其颗粒级配进行分析，选择的滤网过小或填砾规格太小可能影响出水量，滤网过大或填砾规格过大可能造成涌砂。3.3成井工艺不完善成井工序繁多，各工序对成井质量或多或少都有影响。例如，冲孔替浆不彻底，填砾滤料下沉受阻，造成填砾不实，粉细砂进入过滤器产生涌砂;下管时未安装扶正器，井管不能居中，导致反滤层填砾厚度不均，管内产生涌砂;滤料未进行筛选，混杂有泥土等杂物，降低出水量;洗井抽拉时间过长，粉细砂层大量涌入井中，造成含水层地层坍塌，堵塞滤水管造成出水量偏小等。4粉细砂地层成井问题研究现状自 20 世纪 90 年代以来，我国关于粉细砂地层成井问题的研究一直在上升发展，经过 30 年的努力，取得了一些研究成果，但仍然有深入研究的必要。1996 年，赵耀东2，3 等为解决陕西榆林地区粉细砂含水层机井涌砂的问题，结合当地实际情况，提出双层多孔混凝土滤水管、无纺布包单层多孔混凝土滤水管及单层多孔混凝土滤水管三种滤水结构，通过室内模拟渗流试验确定双层多孔混凝土滤水管为最佳方案。该滤水结构由内外两层多孔混凝土管构成，内层管起支撑作用，外层管相当于滤料，成井时无须填砾，不仅可以显著降低成井造价，还可以避免填砾的不均匀性对滤水纺纱效果的影响。后为验证其实际效果，进行了野外实井试验，确认了双层多孔混凝土滤水管是一种合理且有效的滤水结构，可以在同类地区推广应用。2000 年，朱建强4 针对北方黄土塬区粉细砂地层成井难的问题，提出了双壁波纹塑料管成井工艺，该工艺可用于粉细砂地层成井，但必须选择合适的滤水结构与滤水管开孔率，才能保证出水量。2000 年，丁武5 针对粉细砂地层中成井“水进砂进”的问题，提出了错位下管法的成井工艺，即将滤水管与含水层层位相互错位。该工艺可使地下水进入井管的距离加大，增大过滤层厚度，降低了粉细砂进入井管内的概率，还可提供钻进成井效率。2007 年，姜同升6 通过多年实践摸索，提出在粉细砂地层中采用以桥式过滤器为骨架的双层填砾成井工艺，内外两层填砾结构，能有效控制地下水入管流速，达到控制水井涌砂的目的。2007 年，冉德发7 等针对山西应县深部粉细砂地层优质地下水难以开采的问题，提出了 UPVC 双层贴砾滤水管这种新型滤水结构，该滤水管具有造价低、抗腐蚀、不结垢、强度较高、滤水阻砂性能好的特点，能有效地解决粉细砂地层成井难题。但塑料井管具有一定的局限性，他无法适应低温条件，低温时塑料井管性脆，抗拉及抗挤毁强度低，容易发生成井和安全事故。2009 年，冉德发8 等在 UPVC 双层贴砾滤水管的基础上，对其进行了深化，研制出一种新型成井过滤器技术:塑衬预充填式水井过滤器，该过滤器结构简单、使用方便，不仅具备良好的滤水挡砂作用，充填砾料随意、环保、不污染环境，而且可以有效减小钻井口径，降低施工成本。2008 年 10 月该过滤器在山西原平市结合成井应用，取得了较好的应用效果，出水量达到了预期目的。2010 年，张燕、唐泽华9 在黄淮平原粉细砂地层成井的研究中，关于滤料级配选样上，提出采用混合级配不均匀粒级，该方法可有效减小井阻，使水中含砂量保持在规定范围内。2017 年蒙琪10 等在巴丹吉林沙漠地区粉细砂地层成井时提出了用土工布替代尼龙网作为包网材料制作包网过滤器的方法，土工布具有良好的纵向排水性能、延伸性能以及较好的耐生物、耐酸碱、耐老化的稳定性能，同时还具有较宽的孔径范围、曲折的孔隙分布，可使滤水管外形成“控砂”屏障。2017 年，在该区域施工了 5 眼水文地质勘探孔，成井质量良好。通过以上发现，目前针对粉细砂地层成井问题的602第 1 期王亚辉，李青青.大荔地区粉细砂地层成井措施的探讨研究主要集中在成井材料的选择及成井工艺方面，虽然研究已经很多，但解决粉细砂地层成井问题的方法仍在随着时代步不断推陈出新。本文以关中盆地渭南地区地裂缝地质灾害调查安仁镇幅水文地质钻探项目为例，针对粉细砂地层成井问题，在地质判层、成井材料的选择及成井工艺方面提出了几个新措施。5工程实例5.1工程概况关中盆地渭南地区地裂缝地质灾害调查安仁镇幅水文地质钻探项目位于渭南市大荔县东北部，该地区地裂缝灾害发育强烈，为取得该地区的水文地质参数，在大荔县东高明村及北贝村分别设计了两个水文地质钻孔 ZK1、ZK8，设计孔深均为 300 m。根据区域地质资料，ZK1、ZK8 地貌单元分属一级黄土台塬及黄土覆盖的三级阶地(图 1)，设计孔深地层由老到新依次为第四系下更新统粉质黏土与粉细砂互层、中上更新统黄土及全新统黄土状土等，含水层为第四系下更新统砂层承压含水层组，富水性弱。图 1工作区地形地貌图5.2施工情况根据设计要求，ZK1、ZK8 水文地质钻孔要求全孔取芯，故本次钻探施工采用小口径钻进取芯，大口径扩孔成井工艺。具体施工情况如下:ZK1 水文地质钻孔:钻探先采用 DPP1004HDQ型汽车钻机146 mm外肋骨钻头取芯钻进，并进行地质编录，判断含水层位置。然后采用 SPJ300 型水文钻机2159 mm导向钻头+350 mm钻头扩孔成井，成井后下入165 mm无缝钢管和缠丝过滤器，并在井管与孔壁之间的环状间隙内填入滤料，形成反滤层，然后按要求进行抽水洗井。在该孔成井过程中，由于经验不足，采取了中粗砂地层成井的工艺措施，选择的缠丝过滤器缠丝间距及包网孔隙率较大，滤料粒径较大，产生搭桥，导致无法有效阻砂，出水含砂量大。鉴于抽水出砂量偏大，在施工现场对滤水结构进行了改进，在原井管中再套入一层钢管，再增加一层过滤层的方法进行施工，最终抽水含砂量达设计要求，但单井涌水量 1540 m3/h，相比周边水井出水量偏小，且出水量不稳定。ZK8 水文地质钻孔:鉴于 ZK1 钻孔抽水试验结果不甚理想，我们在 ZK8 钻孔施工时吸取了 ZK1 钻孔施工过程中的经验教训，在钻探时选用400 mm钻头进行扩孔，通过增大扩孔直径的方法增加反滤层厚度。同时对钻探所取砂样进行粒径分析，准确确定缠丝过滤器包网密度及砾料径，并改变了填砾工艺，最终 ZK8钻孔抽水含砂量明显降低，出水量稳定，单井涌水量达18493 m3/h，满足设计要求。6工程经验总结通过此次工程实践，我们总结了几点可解决大荔地区粉细砂地区成井问题行之有效的对策，对该地区具有一定的借鉴意义。(1)粉细砂地层成井时可采用取芯钻机结合水文钻机相结合的方式，传统的水文钻机不取芯，无法准确判断含水层位置，滤水管下放位置可能产生偏差，影响成井质量。先采用取芯钻机进行地质判层，再用水文钻机进行扩孔，可有效解决以上问题，并延长机井寿命。(2)粉细砂地层成井材料可选用无缝钢管11，相比水泥管质量容易控制，抗压、抗拉强度大。下管方法一般选用对口焊接，不容易发生错口，发生问题易处理。(3)粉细砂地层中成井可采用双层缠丝过滤器的方式进行施工，由于粉细砂粒径较小，滤料粒径太大，容易产生涌砂;粒径太小，由容易导致出水量小。采用双层缠丝过滤器的方式可设置两层过滤层，采用不同的滤料级配，可有效减小阻砂，并防止出水量小的问题。(4)缠丝过滤器缠丝间距、包网密度以及滤料的选择，一定要根据含水层的颗粒级配确定。(5)采用抽水填砾法从孔口向井管周围均匀进行填砾，不从单一的方位填入，可有效避免滤料搭桥、空洞的问题。702城市勘测2023 年 2 月参考文献 1冯亿年 提高粉细砂含水层深水井施工效率和成井质量的技术措施 J 工程勘察，2008(5):4548 2赵耀东，李景文，翁修荣等 粉细砂