双封隔器技术在无锡市WTS01井水文地质勘查中的应用

李 亮, 解 伟, 赵胤凯, 常晓军, 贾军元, 朱意萍

(1.中国地质调查局 南京地质调查中心，南京 210016；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，保定 071051)

在水文地质调查中，遥感、物探、水文钻探、简易水文试验等手段是获取水文地质特征的主要方法[1-2]，其中水文钻探是直接探明地下水的一种最重要、最可靠的勘探手段，利用水文井进行水文地质试验可以获取含水层水文地质参数，为评价地下水资源和合理开发地下水提供可靠依据。在水文地质试验前，洗井工艺是减少钻探成井施工过程对含水层产生影响的重要手段，洗井质量直接影响到含水层水文地质参数的准确性[3-5]；分层抽水试验可以在目的层抽水的同时，获取相邻含水层的水位变化，从而实现相邻含水层的垂向水力联系，是研究复杂含水层的有效手段。

封隔器技术在石油等领域应用较广[6]，但在水文地质勘探领域使用较少。双封隔器新技术是技术人员围绕分段洗井、分层抽水试验以及管内分层止水3个方面进行研究与试验，并经过不断地改进形成。

双封隔器新技术能对水文井进行单独洗井，也可以与活塞洗井、空压机洗井、液态二氧化碳洗井等工艺联合洗井[7-8]，能有效消除施工过程中泥浆护壁等物理因素和清洗液残留等化学因素影响[9]，从而提高洗井质量；同时，双封隔器新技术通过井内分层止水、抽水，实现了一层抽水多层监测，可以直观展现抽水过程主抽水层与上下含水层之间的水力联系。

本文以无锡市WTS01水文钻井为例，应用中国地质调查水文地质环境地质调查中心研发的195型双封隔器新技术进行分层振荡洗井、孔内分层止水、分层抽水试验，工作过程中获得了较好的洗井效果，实现了一层抽水多层监测的水文地质试验，总结了双封隔器新技术的优势及适用条件。

1 工作原理及设备组成

1.1 工作原理

双封隔器技术的主要工作原理是封闭止水[10]。通过封隔器将抽水目的层段两端的非目的层段隔离，利用潜水泵对目的层段进行抽水；同时在上封隔器下端设置监测仪器实时记录地下水水位、水温的变化，以获得目的层段抽水的有关参数。为获取目的含水层与相邻含水层之间的水力联系，在上封隔器上端、下封隔器下端分别安装监测仪器实时记录相邻含水层水位和水温变化。

1.2 设备组成

双封隔器系统主要由分层隔离单元、抽水单元、抽水试验数据记录与显示单元和封隔器充气单元组成，其连接方式如图1所示。

图1 双封隔器分层抽水原理图Fig.1 Diagram demonstrating the principle of stratified pumping with double packer

分层隔离单元包括过电缆充气封隔器(上封隔器)和常规充气封隔器(下封隔器)。

抽水单元包括潜水泵、出水管、潜水泵供电电缆、变频控制柜等。

抽水试验数据记录与显示单元包括自动水位、水温监测探头、监测数据传输电缆、数据显示与存储器、流量计等。

封隔器充气单元包括瓶装高压氮气、减压器、高压三通阀和高压充气管等。

2 洗井及分层抽水

洗井及分层抽水前，应详细了解水文孔的相关资料，并针对不同情况制定洗井及抽水试验设计[11]，尤其是双封隔设备的排设、潜水泵位置的摆放、地下水实时监测探头的位置等，尽量减少重新提泵、下泵次数。

2.1 WTS01井水文地质背景

图2 钻孔位置示意图Fig.2 Distribution of drillings in the study area

WTS01井位于无锡市新吴区硕放镇南塘村(图2)，孔深152 m，管径273 mm。成井含水层段为：①晚更新统上部微承压含水层，埋深9.5～18.5 m，岩性以细砂、粉砂为主；②晚更新统中下部Ⅰ承压含水层，埋深39～45 m，岩性以细砂为主；③中更新统Ⅱ承压含水层，埋深112～142 m，岩性以中细砂为主(图3)。为达到一孔多层抽水试验效果，在井管外部、微承压上部隔水层、微承压与Ⅰ承压含水层之间的隔水层、Ⅰ承压与Ⅱ承压含水层之间的隔水层、Ⅱ承压含水层以下的隔水层部位采用黏土球止水，微承压、Ⅰ承压和Ⅱ承压含水层段均填充石英砂。

2.2 洗井

双封隔器振荡洗井原理包括2个方面：一是封闭作用，利用双封隔器将洗井目的层段两端的非目的层段隔离，在泵量不变情况下，通过减小进水截面，增大管内单位面积上对含水层的吸力，从而增强对含水层中堵塞物的冲刷作用；同样，对井壁泥皮的破坏作用也相应增大。二是振荡作用，主要是水锤效应[12-13]，用潜水泵将目的层段地下水抽出，通过反复开、停潜水泵，在开泵、停泵瞬间产生水锤压强，反复冲击，彻底清除井内泥浆，抽出渗入含水层中的泥浆和细小颗粒，使过滤器周围形成一个良好的人工滤层，达到良好的洗井效果[14-15]。

为检验双封隔器新技术洗井效果，WTS01井按含水层进行分层洗井，且在洗井前利用活塞清除井管内壁泥皮。第一洗井段：微承压含水层，埋深9.5～18.5 m段；第二洗井段：Ⅰ承压含水层，埋深39.0～45.0 m段；第三洗井段：Ⅱ承压含水层，埋深112.0～142.0 m段。

图3 WTS01钻井地层结构示意图Fig.3 The schematic diagram showing drilling structure of WST01扩孔直径500 mm; 井管直径273 mm

以Ⅱ承压含水层为例，首先对整个钻孔进行活塞洗井。活塞洗井结束后，在112.0 m以上和142.0 m以下启封双封隔器，起封后用大流量水泵进行反复开泵、停泵振荡洗井，每次洗井水泵流量170.0 m3/h左右，洗井效果如图4所示。

由图4可知，第一次抽水洗井时，水位下降了79.0 m；第二次抽水洗井时，水位下降约58.0 m。表明与第一次抽水洗井相比，第二次抽水洗井时单位涌水量大大增加，即井壁和深入地层的泥浆大部分已被带出。第六次洗井抽水，水位下降约24.0 m，且第六次抽水洗井时水位基本稳定，表明双封隔器分层洗井在第六次已基本洗净。

对每一次洗井计算其渗透系数(表1)，与第一次洗井相比，第六次洗井时渗透系数为第一次的了3.5倍。

表1 WTS01井 Ⅱ承压含水层洗井过程渗透系数变化Table 1 Variation of permeability coefficient during well washing in Ⅱ confined aquifer of WTS01

图4 WTS01井 Ⅱ承压含水层洗井效果图Fig.4 Diagram showing effect of well washing in Ⅱ confined aquifer of WTS01

以同样的方法对微承压、Ⅰ承压含水层进行双封隔器分层振荡洗井，洗井结束后进行分层抽水试验。

2.3 止水

分层止水采用管内双封隔器膨胀止水，在Ⅰ承压含水层上下分别放置封隔器，打开高压氮气筒，对封隔器进行充气膨胀。本次分层止水封隔器压力达到2.5 MPa。通过上封隔器下部、上下封隔器之间和下封隔器下部的监测探头观测启封过程中的水位变化(图5)。

由图5可知，双封隔器通过高压氮气瓶加压启封，启封速度快，启封2 min后水位变化明显。不同含水层水位差显著，表明双封隔器启封后达到了良好的隔水效果。

2.4 分层抽水

双封隔器启封进行封隔，含水层水位达到稳定后，开启水泵对目的层进行分层抽水。以第三含水层段(埋深112.0～142.0 m)为例，其抽水试验的时间-降深曲线如图6所示。

图5 WTS01井双封隔器管内封隔效果检验结果分析图Fig.5 Analysis of testing results of double packer stratified water stop of WTS01

WTS01井采用单孔稳定流抽水，当水泵涌水量达到170.0 m3/h后，水位下降24.6 m，渗透系数为6.2 m/d，与第六次洗井所得渗透系数相近。

Ⅱ承压含水层进行稳定流抽水试验的同时，微承压含水层与Ⅰ承压含水层水位稳定，无明显变化，直观反映出微承压、Ⅰ承压含水层与Ⅱ承压含水层之间无明显水力联系。

图6 WTS01井Ⅱ承压含水层稳定流抽水试验时间-降深曲线图Fig.6 Time-depth reduction curve of steady flow pumping test in Ⅱ confined aquifer of WTS01

3 结 论

a.双封隔器新技术分层振荡洗井技术的使用，有效地解决了施工区水文钻井难以彻底清洗的难题，提高了水文地质参数求取的真实性。

b.双封隔器新技术井内止水启封速度快，止水效果好，操作简单，极大地节约了洗井、抽水试验的准备时间，提高了野外作业效率。

c.双封隔器新技术采用“一孔同径，分层抽水”，实现了抽水试验过程中对上下含水层垂向水力联系的研究，同时减少了对地面资源的占用。新技术可以在井内任意深度、任意含水段进行封隔、洗井和抽水试验，尤其适用大厚度、多含水层的水文钻井抽水试验。