多层含水层分层止水技术研究进展

李晓龙，董书宁，刘恺德

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054；4.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西 西安 710123）

近年来因水文地质条件不清，造成矿井采掘失衡，矿井防治水工作难度加大，对煤矿安全生产造成严重的影响[1]。分层抽水可准确获取地下水的水力学参数，取得含水层在空间的化学场、动力场、温度场的数据，对于深刻认识水文地质条件，合理概化水文地质模型，精确评价地下水资源，指导矿井防治水工作，实现“保水采煤”的愿景，起着至关重要的作用。

早在20 世纪50 年代，我国水文地质工作者通常采取针对每1 个含水层施工1 个钻孔，或按试验含水层的顺序，将含水层依次用套管隔开，以实现分层抽水，但此方法需花费大量的人力、物力和时间，尤其当钻孔深度过大，含水层呈层状结构时，施工难度更大。也有学者提出采用混合抽水的方法解决分隔含水层的困难，以求取各含水层的水文地质参数，但混合抽水结果往往无法分析，且计算公式复杂，求取的水文地质参数误差较大，可见分层止水成井、分层抽水的重要性与紧迫性，为此我国水文地质工作者紧紧围绕分层抽水技术的相关设备、技术、材料等方面开展了大量的研究工作[2]。

分层抽水的前提是止水成井，包括管外止水和管内止水，止水效果决定着分层抽水的成功与否，止水材料、设备则对止水工作产生直接影响[3]。现阶段我国水文地质勘查分层止水技术已形成“异径分台阶止水”、“一孔同径，分层止水”；止水材料有水泥、黏土球、止水胶带、海带、黄豆、膨胀橡胶、油绳、油棉线、桐油石灰、牛肉、封隔器（Packer）等。2016年，中国地质调查局水环中心采用Packer 封隔分层止水技术圆满完成了5 层水文地质钻孔分层抽水试验，是目前国内外最复杂的地下水分层抽水试验。虽然分层止水技术已取得一些成绩，但总的来说，针对不同地质条件、经济条件、工况，分层止水技术应用仍较复杂。为此，对我国多层含水层分层止水技术的研究现状进行系统总结，并提出存在问题及研究方向，以期为多层含水层分层止水技术提供借鉴。

1 异径分台阶止水技术研究现状

含水层的个数决定钻孔结构，一般情况下，含水层个数与钻孔孔径级数相同，自上而下孔径逐级减小，故通常采取多级扩孔，大径成井，以下入多级井管、滤水管，实现分层止水。异径分台阶止水技术包括自上而下分层止水、自下而上分层止水，一般同一钻孔仅能做2～3 层抽水试验。

1.1 自上而下分层止水技术

自上而下分层止水成孔工艺：一次成孔，逐层止水；分阶段成孔，依次对各含水层分层止水。

1）管外永久止水，管内变径止水。1984 年，金立元等针对潜水含水层、承压含水层组分层抽水试验，采用分层填砾、黏土球的方法进行管外止水，采用井内预设止水圆盘工艺进行管内止水，亦采用异径截锥型滤水管接头与特制的胶塞进行管内止水。针对承压水顶托力过大造成井内止水塞无法下入的情况，在原胶塞的基础上设计了能开、关的“卸压活门”装置，使胶塞顺利下至止水位置，实现分层止水[4]。井结构示意图、异径截锥示意图、特制胶塞示意图、圆盘止水示意图如图1。2017 年，郝国利等人在张家口后备水源地勘查项目分层抽取2 层地下水时，采取大口径一径到底，管外填砾、黏土球止水，管内变径止水，既实现分层抽水，亦可观测上下含水层水位变化。管内变径止水示意图如图2[5]。

图1 管外永久止水、管内变径止水示意图Fig.1 Water-exclusion outside casing permanently, waterexclusion inside different diameters casing

图2 管内变径止水示意图Fig.2 Water-exclusion inside different diameters casing

2）管外管靴止水，管内逐层抽水。1988 年，韩树青在陕北煤田水文地质勘探时，针对松散含水层、承压含水层分层止水，地层构造简单，裂隙不发育的地层，采用管靴止水法，提出小口径套管在止水位置焊接止水环，止水环下部缠绕1.2～1.5 m 长的油棉线，依靠套管自重将油棉线压实坐于变径位置，实现管外止水[6]。1994 年，国永久分析了管靴止水器的工作原理[7]。2013 年，李学良参考文献[6]方法，在河南省平顶山市深部煤炭资源勘查水文孔分层抽水时，提出借助岩心管将黏土球、砖块、扫把杆等送入到隔水层段合理位置架桥隔开上下含水层，随之下入井管、滤水管，井管在变径处连接止水压盘实现管外止水，止水压盘下部缠绕1 m 长的油浸棉盘根线，待抽取上层水结束后，拔出所有套管，下钻透开架桥，再次扩孔，重复上述流程，抽取下层水[8]。2015年，张云峰、孙增兵、王斌斌等人也分析了管外变径海带止水的缺点[9]。

3）管外永久止水，管内双封压缩止水器止水。2008 年，张建良针对第四系2 个含水层分层止水，采用管外填砾、黏土球止水，管内止水装置止水，包括压缩止水器、双封止水器、花眼钻杆，止水材料为橡胶、海带[10]。双封压缩止水器分层抽取2 层地下水示意图如图3。2013 年，邱长健、郭丽娟，2017 年，敖文龙等亦分析、借鉴此技术，实现了分层止水[11-13]。2017 年，何计彬等分析了此技术存在的问题[14]。另1994 年，国永久分析了异径压缩止水器工作原理[7]。

图3 双封压缩止水器分层抽取2 层地下水示意图Fig.3 The using of double seal compression water exclusion device in stratify extracting two layers of groundwater

4）管外止水圆盘止水，管内架桥止水。2007 年，王淑梅等在辽宁省康平县某井筒检查孔分层抽取4层地下水时，将焊接好的沉淀管、滤管、井管一次入井，管外各层变径止水处预留止水圆盘，并用止水胶带缠绕，管内3 处变径均装入长度不小于 5 m 的木塞，附黏土止水，实现管内架桥，待上部含水层抽水结束后，透开第1 个止水木塞，再次下入大于下一级，小于上一级井管的套管分隔上部含水层，逐次完成分层抽水[15]。2011 年，王海波针对两淮煤田新生界松散含水层抽取“底含”水试验，提出采用止水圆盘异径压力黏土加注浆法，即向止水圆盘上部井管与井壁环空注入水泥浆完成管外止水，止水圆盘下部第1 根套管内预制2 m 长的水泥柱，待环空候凝合格后，下钻扫开水泥柱，抽取下层水[16]。

5）管外变径止水，管内逐层抽水。2016 年，赵宗昌分析了逐层钻穿含水层，下止水管隔离上部含水层，完成抽水试验后，起拔止水套管，再钻穿下部含水层以抽水的缺点[17]。

1.2 自下而上分层止水技术

1）管外止水托盘止水，管内止水圆盘止水。2004年，曾可平等在准噶尔盆地施工水文勘探孔，针对2层含水层分层止水，管外采取止水位置预先安装2个止水托盘，附以海带、锥形止水橡胶圈止水，管内隔水管底部焊接止水托盘，托盘底部安装止水橡胶，或在托盘上部捆绑2～5 m 长的海带以实现管内止水。隔水管底部预留水眼抽取下层水，之后可采取拔出抽水管，封闭隔水管进水口，选用灌满铁砂粉钢管，利用反丝钻具将钢管送至变径止水处，实现永久止水，亦可将下部抽水管拔出，封闭隔水管进水口，对托盘上部一定范围内的隔水管割圆孔，使上层水进入隔水管[18]。2013 年，安文久在甘肃民勤县水源孔两层含水层分层抽水试验中，亦采用此方法完成管外、管内止水[19]。

2）多级套管逐层完成分层止水。2015 年，张云峰、孙增兵等人在新疆准东煤田水文地质勘探孔分层抽取3 层地下水时，提出将钻孔扩孔为三级孔径，依次下入一级、二级套管至相应变径处，且均在套管底部缠绕厚海带止水，下入三级井管及滤管完成下部含水层抽水，之后拔出井管、滤管，注浆封堵该层，同理逐次完成上部含水层抽水[9]。

3）管外止水托盘止水，管内止水器止水。2016年，赵宗昌等以白水煤矿井筒检查孔3 层含水层分层抽水试验为例，采取钻进至第一含水层底界时停钻进行抽水试验。下部2 个含水层采用小径钻至终孔，扩孔下入一级套管，套管外焊止水托盘隔开第一含水层，第二含水层下入二级滤管，第三含水层将钻杆兼作出水管、止水管，并在钻杆外焊接可压缩止水器隔开第二含水层，待第三含水层抽水结束后，水泥封堵此含水层，再次抽取第二含水层水[17]。

4）管内胶塞止水，管外水泥止水。2017 年，万亿、韩柳等进行新疆伊犁谷地水文地质环境地质调查评价项目勘探孔分层抽取2 层含水层水时，采取大口径一径到底，下入二级井管、滤管，利用钻杆通过井管与孔壁环空注水泥完成管外下部含水层止水，管内变径胶塞止水[20]。

2 一孔同径分层止水技术研究现状

一孔同径分层止水主要包括传统分层止水技术、Packer 分层止水技术，传统分层止水技术一般可实现2 层含水层的分层止水，Packer 分层止水技术可实现多层含水层分层止水。

2.1 传统分层止水技术

1）管外止水器止水。1965—1978 年，云南省地质局第八地质队设计钻孔简易同径止水器，在止水位置孔壁处完成止水，止水材料为桐油石灰，实现一孔多用。止水器由异径接头、短管、岩心管接箍、连接锁母和连接接头组成，短管一般长0.8～1.2 m，若孔壁不完整可适当加长。止水器的下端连接支撑管（套管或钻杆），当支撑管下至孔底，反转止水管回动使连接锁母与连接接头脱离，止水管就压缩止水物堵塞孔壁间隙，达到止水目的[21]。钻孔简易同径止水示意图如图4。1994 年，东煤地质局国永久分层抽取2 层地下水，设计了同径压缩止水器，包括外套压缩管、内套伸缩管，外套管下压附在内套管上的止水材料，使止水材料在外压环下部托盘间横向膨胀，充满孔壁和套管的空间，分隔上下含水层[7]。1994年，中国煤田地质总局第二水文队王永全等在某矿区水源地大口径井分层抽取2 层水时，利用止水器采取同径止水法，结合钻杆、单向逆止阀、水泥封隔上部含水层，候凝合格后，继续钻进下部含水层[22]。

2）管外永久止水，管内止水塞止水。1996 年，杨建新、刘王新在南阳油田水源地抽水试验孔分层抽取2 层水时，采取大口径一径到底，管外填砾、黏土球止水，管内采用钻杆、钢板、橡胶圈制作的止水塞止水。为了克服抽上层水时，止水塞受水泵的抽吸作用和水头压力作用向上浮动，造成止水塞在井内错位，以及抽完水后止水塞不易对扣拔出，特设计“笼状式”吊装水泵装置[23]。

图4 钻孔简易同径止水示意图Fig.4 Simple water exclusion with same diameter borehole

3）管外永久止水，管内反丝装置止水。2008 年，张建良分析了2 层含水层常用分层止水方法的缺点，即管外填砾、黏土球止水，抽取上层水时管内采用钻杆连接 7～10 m 长的反丝钢管，钢管外侧加工3 组止水装置，止水材料为膨胀橡胶，抽取下层水时采取自井口直接下入带有 3 组止水装置的钢管至止水位置[24]。反丝钢管止水示意图如图5。2017 年，何计彬等分析了此技术存在的问题[14]。

图5 反丝钢管止水示意图Fig.5 Reverse steel pipe water exclusion

2.2 Packer 分层止水技术

2015 年，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心吴宏涛、郑继天等依托“黑河流域重点地区水文地质调查”、“三江平原高标准农田区水文地质调查”项目，研制了地下水分层抽水采样系统，主要由充气封隔系统（Packer）、抽水系统、压力传感系统组成。将上、下充气封隔器下入井中止水位置，使试验目的层段与其上、下非目的层段隔离[25]。分层抽水原理示意图如图6，管内分层止水器具安装示意图如图7，双封隔器连接实物图如图8。2017 年，孙芳强等在新疆三工河流域采用此技术实现了第四系含水层同径止水[26]。

图6 分层抽水原理示意图Fig.6 The principle of stratify groundwater extraction

图7 管内分层止水器具安装示意图Fig.7 Installing of stratified water exclusion device in casing

2016 年，张建伟、杨卓静等在黑河流域水文地质调查时，针对深孔分层止水，设计了封隔器，由高压氮气瓶、导气管、胶桶和水管组成，封隔装置放置于两含水层止水实管处[27]。

2017 年，何计彬等在陕甘宁革命老区1∶5 万水文地质调查项目中利用特制充气胶筒式封隔器完成第四系、第三系3 个含水层的分层抽水试验[14]。胶筒式封隔器抽水示意图如图9。

3 存在问题及研究方向

图8 双封隔器连接实物图Fig.8 The connection of physical double packer

图9 胶筒式封隔器抽水示意图Fig.9 Rubber-sleeve packer in pumping water

1）异径分台阶止水技术，随着含水层个数的增多，井径不断增大，井壁稳定性差，井斜要求高，易出现扩径现象，多级扩孔费用高，耗费管材多，技术操作难度大，止水效果较差，获取的分层水文地质参数准确性较一般。因此亟待研究、推广应用“一孔同径Packer 分层止水”技术。

2）异径分台阶止水技术一般仅能实现2 层含水层分层止水，虽文献［15，17-18］完成了 3～4 层含水层的分层止水，但需多次下入、拔出多级井管、滤管，效率低下，止水效果的不确定性极大，可能造成止水失败，或者钻孔报废，因此应重点研究简化钻孔结构，缩小井径，一次成孔，节省管材的止水技术，或优化抽水次序，结合成井工艺，实现分层止水。

3）止水材料、器具宜采用无污染的多种材料相结合的方法，形成多层止水结构，确保止水质量。

4）目前管外止水主要采用填砾、黏土球的方法，二者的填入位置至关重要。若出现填砾超高止水位置的事故，处理无果会造成止水材料无法填入；若止水位置在300～500 m 时，无法实施常规黏土球止水。此时可重点尝试采用双封隔器灌注水泥分层止水技术实现分层止水。双封隔器灌注水泥分层止水示意图如图10。

图10 双封隔器灌注水泥分层止水示意图Fig.10 Cementing for stratified water exclusion

5）遇水膨胀橡胶作为一种新型的止水橡胶材料，具有优异的止水堵漏功能，既能适应结构变形，起弹性密封作用，又具有吸水膨胀，以水止水的特殊功效。因此应重点研发环保膨胀橡胶材料，提高止水性能，结合止水器具实现止水功能。

4 结 论

1）现阶段，“异径分台阶止水”管外止水通常采用填砾、黏土球永久止水，或者止水圆盘辅以止水材料止水；管内止水常采用胶塞止水器具，辅以止水材料止水，亦有采用管内架桥止水。

2）“一孔同径分层止水”是多层含水层分层止水的主要发展方向，尤以Packer 分层止水技术为主，可真正实现“一孔同径，分层抽水”，缩短施工周期，便捷获取水文地质参数，亦可实现多层水文地质孔的长期分层监测。

3）管外填砾、黏土球止水，止水效果存在不确定性，可能出现填砾位置偏差等，因此在具体止水过程中，应综合多种成井工艺、止水方法、止水材料、止水器具以实现分层止水。