宁夏地下水监测井成井施工工艺综述

宁夏地下水监测井成井施工工艺综述摘要：地下水监测工程建设组织实施意义重大，事关区域地质环境、饮水安全和经济社会的可持续发展等民生问题。成井工艺决定着国家地下水监测工程建设的质量；其包括钻探成孔、电测井、井管安装、滤料围填及孔口封闭、洗井、抽水试验、水样采集化验和井台建设等。施工中要特别注意工序衔接，既保证施工质量又不能污染地下水，高质量的成井施工可为同类工程施工提供借鉴关键词：地下水监测；成井工艺；钻进技术1概述开展地下水监测是统一管理水资源的一项基础性工作，主要为地下水的合理开发利用、地质灾害防治、地质环境保护等决策提供科学依据。为改变目前宁夏地下水监测工作在水资源管理和地质环境保护、地质灾害防治方面滞后的局面；大幅提高地下水监测与信息服务能力；为宁夏经济社会发展和生态环境保护提供可靠的技术支撑；迫切需要开展宁夏地下水监测井凿井工程工程的开展能够在宁夏全境建成较为完整的国家级地下水监测站点系统，形成全区地下水动态自动监测网络，既有利于全区水资源的优化配置利用及生态文明建设，更有利于国家对水资源的战略统筹2钻孔设计及成孔设备、工艺选择宁夏水利系统本次监测井共布设166处，其中新建井155处，改建井11处，施工地点分布在银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市和固原市，设计井深15～154m，孔径为400-450mm，井管为Φ200mm的PVC-U管本次监测井设备采用DDP-100汽车钻、XY-300岩芯钻机、GF250车载反循环钻机、车载水文400型钻机和CZ-85型冲击钻施工。成孔工艺采用回转正、反循环钻进、冲击钻进、冲击和回转相结合钻进3钻进3.1钻进方法选择钻进方法、钻井参数，泥浆，井管的材质及安装，洗井的方法和时间等都影响着成井质量。钻进技术是成井的质量和利用效率的关键步骤，国家地下水监测井工程设计中，对钻井工艺及钻进方法没有具体的要求和规范。本工程根据监测井孔深、所处地层选择不同的钻探设备，在泥岩比较发育的地层或者“红层”中钻进，若是采用传统泥浆正循环钻进，必然会发生地层膨胀，卡钻或者污染含水层现象，对下一步的洗井带来麻烦。在覆盖层较厚地区使用单纯使用正循环又会使用水成本增加，在西北缺水地区，会增加成井成本在前期施工的78个钻孔中，成井最大深度154米，最小深度15米，分别采用了冲击钻进，正、反循环钻进技术。其中反循环成井52眼，正循环8眼，冲击钻18眼。结果显示100米以内钻进，反循环钻井效率占优势，钻进效率分别是正循环的4.5倍，冲击钻的7.8倍，通过趋势方程，可以计算出在42米深，正反循环钻进效率相当，当井深大于42米时，泵吸反循环钻进效率优势明显通过以上结果，可以看出在钻进施工中，亦采用因地制宜的办法，在覆盖层埋深小于30米、含水层单一稳定，下部地层为基岩层或不易漏水的地层，因成本低，单纯采用冲击钻；在覆盖层较厚的地层，且下部漏失较为严重的地层正循环泥浆冲击钻进；在覆盖层厚度小于42米的地层，采用泵洗反循环钻进技术3.2钻进根据地质条件及设计要求，钻进施工采用小径口径Φ113mm钻头钻进成孔至设计孔深，在粘土层钻进时，适当加快钻进速度，到砂层后考虑到砂层不易造泥浆，则放慢钻进速度；钻进过程中，孔内必须保持稳定的水位，缺水时需及时补水，以维持孔内水头差，以防坍孔泥浆制备：可选用宁夏本地的红粘土或直接采用膨润土制备泥浆，泥浆比重一般控制在1.2～1.3左右，粘度16～22S；松散易塌地层控制在1.4～1.5，粘度19～28S；含砂率≤4%，胶体率不小于95%，应根据地层情况做适当调整4电测井成孔后立即进行水文物探视电阻率测井，电测井采用梯度电极与地面电极在钻孔中建立直流电场，测量延井轴分布的两点之间的电位差来求取地层的视电阻率，根据视电阻率曲线形态划分地层，确定其厚度，定量估算地层的电阻率和孔隙度，结合地层分析含水层厚度，进行水量初步估计5扩孔、清孔、换浆小径取芯钻孔施工完毕后，可采用正（反）循环逐级扩孔，扩孔至设计口径及深度成孔后进行清孔、换浆。清孔的目的是清除孔底及冲洗液中的钻渣，以确保钻孔深度满足要求。反循环钻进方式直接用清水进行循环处理冲击钻及正循环钻进方式清孔后必须彻底将孔内比重较大的泥浆予以置换，以防止孔壁形成泥皮影响出水量并有利于围砾的顺利进行，且在钻进至设计深度后，可稍稍提起钻头，同时保持原有的泥浆比重进行循环浮碴，随着残存钻碴的不断浮出，孔内泥浆比重和泥质含量不断降低，然后注入清水继续循环置换，随时检查清孔质量；孔底沉碴也可以采用反循环泥浆泵吸出的方式进行清孔。冲击钻及正循环钻进方式孔内泥浆应符合下列规定：泥浆密度小于1.05g/cm3，含砂率98%；井内沉淀物厚度，小于井深的5‰6井管安装根据钻进中取得的地层岩性鉴别资料及测井解释成果，综合确定含水层位置、厚度，据此合理确定井管安装方案6.1材料选用井壁管采用外径200mm、壁厚9.6mm的PVC-U管。PVC-U管具有质轻，搬运装卸便利：流体阻力小，机械强度大，电气绝缘性佳等优点；而且PVC管由溶解试验证实不影响水质，因此作为地下水监测井井管材料的最好选滤水管采用割缝式PVC-U管，缝宽1mm，缝长50mm，间距20mm，开孔率为12%。在施工过程中在滤水管上包80～100目的纱网2～3层，以保证良好过滤效果6.2井管安装工艺井管安装之前必须将孔内泥浆用比重小的泥浆或清水予以置换，且孔深应满足要求，以保证井管安装、填砾和洗井工作的顺利进行。探孔：为保证井管安装能安全、顺利地进行，在井管下入前要进行探孔，所用探孔器直径比孔径小20mm，长度为5～8m的钢管，经探孔确认钻孔圆直、畅通无阻后方能安装井管配管：根据井管安装方案，将各类井管按顺序编排，用钢尺丈量每根井管的长度，并按下管的顺序给每根井管作上编号，防止出现错乱。配管时应全面检查井管质量，仔细检查螺纹配合情况，并将螺纹洗刷干净根据设计井管安装方案，核对井壁管、过滤管、沉淀管的长度和下置位置。采用提吊下管法；PVC-U管采用螺纹丝扣连接，沉淀管底部封底7滤料围填7.1滤料选用本工程选用粒径2～5mm、级配良好且磨圆度较好的绿豆砂，滤料不得含有泥土或杂物。滤料除应按计算量储备外，还应准备一定余量7.2滤料围填滤料围填是管井建造中的一个重要环节，填砾规格、质量、方法均直接影响管井的质量。根据监测井井管安装设计，确定滤水管位置及高度，应自滤水管底端以下1m处至滤水管顶端以上3m处围填滤料填砾方法根据地层情况、成井深度、所采用的钻探设备等确定，常用填砾方法为动水投砾或静水投砾法。采用动水填砾前，先在井管内下入钻具，密封井口，开泵送水，当孔口返水时，即采用边送水边填砾的方法填入砾料。当砾石面超过最高一组滤水管后即出现憋泵现象。此法可避免发生砾石架阻搭蓬事故。填砾时必须连续、均匀、速度适当，且要随时测量填砾的实际高度，核对数量，如出现搭蓬现象，要停止投砾，及时进行针对性处理。采用静水投砾时速度不宜太快，不能整车倒入，要沿着井壁四周均匀填入，不允许只在一个方向上填入，不论钻孔深浅，填砾必须一次完成，不能中途停歇，以免滤料分选和井壁坍塌8止水8.1止水材料选用本工程止水材料选用优质半干状粘土球，球径20～30mm，用前制好阴干，达到表面稍干，内部湿润柔软为宜，含水量约为20%。实际准备数量比计算数量多25～35%。投入前，先取孔内泥浆进行崩解时间试验8.2止水效果检查设计确定的止水层段，应准确对应于隔水层部位，防止错位失效。止水界线应超过被封闭的含水层顶3m、底板1m。止水后要进行止水效果检查，确保止水效果可靠。滤料顶端至井口孔段必须进行止水封闭止水效果可采用压力差检查法，即先测得管内管外的稳定水位，然后进行抽水，使管内外形成较大的水位差，半小时后观测管外水位，其水位波动值（变幅）小于0.1m，则止水效果良好，若水位水位波动值（变幅）大于0.1m，则止水效果差，止水失效要重新进行止水9固井及洗井填砾至设计高度经止水检查合格后，将止水部位以上的孔段用粘土球彻底封死、填实，防止监测井在使用过程中出现地面塌陷或出现地表水渗入及因浅部井管因晃动发生折断损坏根据各地区含水层岩性特征、监测井结构和井管管材实际情况，本工程采用抽水洗井方法。洗井应达到以下效果：（1）连续两次洗井后单位出水量增加值小于10%；（2）现场用量杯接取水样进行含沙量的测定，含砂量的体积比小于1/20000，达到水清沙净的效果；（3）井底沉淀物厚度应小于井深的5‰10抽水试验10.1抽水前的准备工作选择排水场地，挖好排水沟，安装三角堰；安装抽水设备，泵头不得置于过滤器部位抽水2小时后停抽观测静止水位，一般每小时观测一次，当最后连续4小时水位无持续上升，且波动值小于2cm时，即可终止观测，此时的水位即为静止水位10.2抽水试验采用单孔稳定流抽水试验，抽水试验的水位降深次数为3次。抽水试验时，水位和出水量同步观测，应在抽水开始后的第1、2、3、5、10、15、20、25、30min时间点进行观测，之后每隔30min观测一次；抽水过程中出水量和动水位与时间关系曲线只在一定的范围内波动，且没有持续上升或下降趋势的要求，水位的波动值应小于5cm；水量的波动值≤5%；抽水试验的稳定延续时间应符合下列要求：卵石、圆砾和粗砂含水层为8h；中砂、细砂和粉砂含水层为16h。抽水试验时，应采取有效措施，防止抽出的水在抽水影响范围内回渗到含水层中。抽水试验结束后，测量孔深10.2.1水位观测在同一试验中应采用同一方法和工具。水位测量应读数到厘米；采用三角堰箱量测时，堰口读数精确到毫米10.2.2温度的观测抽水试验开始后应及时测量水温和气温并记录，试验开始后每30min应测量水温和气温并记录11井口保护设施11.1井口基础处理为了保证井口基础具有足够的强度特性、变形特性、渗透特性。进行井口基础处理。它是关系到井口保护设施及仪器设备能够正常安装、稳定运行的关键井口基础分为上部和下部，基础上部为圆柱体，基础下部为长方体。采用C25混凝土现场浇筑，设计高度为H+200mm（H为当地的最大冻土深度，无冻土地区H取值200mm）。其中配有12根φ8mm的竖筋，φ8mm间距为150mm的箍筋。为保证施工的工程质量，处理基础垫层时，基础底部用素土进行夯实处理，厚度100mm。使用混凝土浇筑基础垫层厚度100mm强度C1511.2井口保护设施上盖：材质与保护筒保持一致，满足与保护筒紧密相连，并具有防水功能通讯盖板：使用非金属对通信信号衰减小的专业材料，具有抗冲击、抗老化、耐腐蚀、耐高温低温的性能；通讯盖板与上盖应安装牢固，并有可固定通讯天线的装置；上盖与保护筒通过转轴和专用锁具连接，当上盖打开时，可以与保护筒保持90度夹角，能够放置移动数据识读转储设备或水位巡测设备。通气孔设计：井口保护装置口均匀分布6个凹槽，深度3mm，当上盖关闭后起到防水透气作用12技术难点及重点12.1钻进成井监测井的布设的目的不同，选取位置不同，遇到的地层岩性也不同，这就为钻进工作带来一定的难度。宁夏水利监测井的布设主要集中在沿贺兰山、卫宁北山、其他典型山地山麓、小流域、主要城市等区域。目的是监测山前（小流域）水资源水文参数，包括地下水的补给、水质及洪灾情况以及人类活动对水资源（水质、水位、水量）的影响。其中山前山麓地带及小流域河流沿线，岩性主要是山前洪积物及河流洪流冲积物及细砂粘土构成，结构松散，卵粒石层分布广且厚，胶结程度差，架构松散杂乱，卵粒石层及砂层容在钻探中容易出现坍塌及挤、卡钻现象，且卵砾石层受水位影响容易出现漏水或涌水现象，还有部分泥浆会污染地下水，复杂地层岩性及地下水造成效率低，事故多，造成钻探成本增加对于卵砾石层中，卵砾石粒径大小不一，分选较差的情况，为提高成井效率，对卵砾石层中存在粒径大于60mm卵石的地层，一般采用冲击钻钻进。遇到特殊情况，比如在施工中遇到孔深154m钻井，我们采用联合钻进法，即120m以浅，采用冲击钻钻井，120m以深采用正循环，采用该种方法不但的提高的钻进效率，还降低了事故概率对于卵砾石层中，颗粒粒径小于60mm的地层，根据结构、胶结情况进行区别对待，颗粒结构松散，