新型滤水套管技术在东宁地区水文地质钻探中应用

刘建宇，黄伟，高博，王刚

中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江 157021

0 引言

我国的水文地质钻井技术，对于施工相对稳定的地层时，技术比较成熟，同时形成了相应的施工规范和技术体系，但是常规水文地质钻探施工工艺不适用于含有漂石、卵砾石不稳定第四系覆盖层。本文依托“东北边境珲春—东宁地区综合地质调查”项目水文地质钻探施工任务，紧跟水文钻井行业的新形势，不断发展自己，自主创新，选用气动潜孔锤钻进工艺首次配合使用新型滤水套管用于在松散第四系施工水文地质钻孔，开展抽水试验，了解工作区含水层深度、厚度和富水情况。

1 新型滤水套管的设计

1.1 与以往工艺对比

工作区第四系结构松散，含较丰富的地下孔隙潜水，传统工艺施工此地层时，主要采取泵吸反循环钻进、正循环回转钻进和冲击钻进，成井后下入滤水管，而后进行填砾等。在松散地层或破碎带地段钻进时，施工过程极易塌孔，时常会发生漏浆情况，易造成卡钻、埋钻事故。常规滤水管在第四系水文地质钻孔中不能完全满足滤水需求而发生涌砂状况，使孔隙被堵塞, 造成出水量减少，甚至淤塞井管而丧失出水能力。

为此，结合施工作业经验及规范要求，针对以往工艺容易出现的问题，笔者改进一种配合气动潜孔锤跟管钻进的新型滤水套管。主要做了以下5个方面的改进：一是增强过滤性和透水性，使出水量更均匀；二是增大孔隙率，取得更大出水量；三是优选施工工艺配合新型滤水套管提高钻进一次成井能力、提高钻进效率，加强对井直径和垂直度的控制效果，解决破碎岩层掉落的问题；四是缩短施工周期，提高钻进速度，减小对环境的污染；五是增强井管强度，增加耐腐蚀性，消除涌砂影响，保证水井寿命。新型滤水套管与传统滤水管相比，优势主要在于不仅满足了潜孔锤跟管钻进过程中套管护壁的要求，而且同时满足了滤水需求，兼有套管护壁和滤水管滤水的功能。

1.2 重点设计工艺

这种新型滤水套管(图1)，包括主体组件、滤水组件和加固组件，所述主体组件包括管体和接头，骨架由开孔的钢管或铸铁管组成，主要起到跟管护壁和二次过滤作用，通过通孔和两个过滤层的设置，配合管体使用。

图1 滤水套管结构示意图Fig.1 Schematic diagram of water filter casing structure1.花管;2.滤筒布;3.固定螺丝;4.压条;5.尼龙绳;6.承接口;7.布孔区;8.非布孔区

所述滤水组件安装于所述主体组件的外侧壁，滤水组件包括通孔和过滤层，管体的外侧壁等距分布开设有通孔，管体的外侧壁设有两层滤布，形成滤布筒过滤细粒物质，滤布筒采用涤纶或丙纶经机械加工，形成坚韧的无纺布或者过滤布[1]。

加固组件安装于所述滤水组件的外侧壁，加固组件包括尼龙绳、压条和紧固螺丝。

为适应不同施工条件和技术要求，滤水套管设置11种口径(表1)和3种长度规格，滤水套管长度分为1 m、3 m、6 m三种规格，配合相应的钻头孔径为75～455 mm。

表1 滤水套管规格表

1.3 改进后的优点

(1) 适用范围广：改进之后的新型滤水套管配合气动潜孔锤钻进工艺，适用于大部分第四系，尤其对卵砾石层及破碎含水层钻进有效，不仅满足了潜孔锤跟管钻进过程中套管护壁的需求，同时满足了高效滤水需求，解决了松散第四系含水层水文井成井困难的问题。

(2) 进水效率高：新型滤水套管的孔隙率可达35%，较传统滤水管提高了约5%，地下水可以更容易通过孔隙进入井内，从而获得更大的涌水量。

(3) 施工周期短，成井速度快：可以随潜孔锤跟管钻进一次成井，仅需下入少量砾料甚至不需要下入砾料，避免了下入砾料过程中堵塞的问题，降低了劳动强度，提高了施工效率。

(4) 使用寿命长：滤水管具备足够的强度，能承受施工过程中的冲击力、剪切力，井内侧向挤压力。还具有较高的抗腐蚀能力，不受涌砂的影响，不易阻塞，不易结垢，耐用可靠，使水文地质钻井拥有较长使用寿命。

2 新型滤水套管施工技术要求

2.1 方法选择与观测要求

在施工过程中，笔者选用了成井质量好、施工程序相对简便、钻进效率较高、综合经济效益高的气动潜孔锤跟管钻进工艺配合新型滤水套管进行施工。

在水文地质观测时，使用钢尺水位计观测水位，包括钻孔中水位的变化(误差≤1 cm)、孔口返水情况、水温的异常等。记录初见水位孔后24 h静止水位，孔内涌、漏水等情况[2]。观测终孔水位和初见水位的差别判断区分承压水和潜水。两者的主要区别在于当静止水位高于初见水位时，判断为承压水；当静止水位大致与初见水位相等时，判断为潜水[3]。气动潜孔锤钻进过程中，随着钻孔向下接近初见水位，孔口喷射出的岩粉会从干燥逐渐变得湿润，通过换算钻杆长度即可确定初见水位深度[3]。

2.2 钻进技术参数要求

(1) 进时：开始钻进时，以低速低压进行，当钻入地层0.1 m后，按正常转速、钻压钻进。

(2) 供气量：气动潜孔锤所需供气量(排渣通道上的上返速度)控制在8～15 m/s，比其气动潜孔锤额定供气量大20%左右。

(3) 气压：送气压力大于孔内最大的启动气压和运行潜孔锤工作气压之和[4]，控制在1.0～2.0 MPa。

(4) 钻压：根据钻孔揭露地层信息，钻压控制在16 kN左右。

(5) 转速：转速在施工过程中依据实际情况适当调整，确保钻机平稳运行[5]，控制在30 r/min。

2.3 施工操作技术要求

(1) 开孔前检查组合钻具。螺纹连接紧密，丝扣良好，偏心钻头用手转动灵活；滤水套管无变形且无裂纹。

(2) 组合钻具进入滤水套管内时，应使滤水套管与组合钻具基本同轴，钻头应完全退回，不得旋转套管，不得使用冲击器使钻具强行通过滤水套管鞋。

(3) 开始钻进前，超前钻头应紧贴固定在导向装置上，每个联接处紧固牢靠。

(4) 第一根滤水套管偏斜度控制在1‰左右，不得超过2‰。

(5) 钻进中应频繁地窜动钻具，以便冲洗钻屑，尽可能使滤水套管柱在孔内松动。

(6) 在停止钻进和重新开始钻进前，应彻底冲洗钻孔。

(7) 提钻前应将滤水套管固定住，提出偏心钻头时，将钻杆柱缓慢提升至钻头接触套管鞋下侧位置，然后将钻杆柱下放10 mm，缓慢反转钻柱2转，提出钻具。

(8) 若提钻后滤水套管下沉，在下钻前将滤水套管上提200 mm[6]。

2.4 其他技术要求

含水层位置判断直接影响滤水套管跟进位置和数量，也是水文地质钻探工作中的重要一环,在钻探工作中应着重关注主要的含水层,每回次钻探深度不宜大于0.50 m，含水层位置判断，要依据地质人员现场跟班的记录。方法如下：

一是通过目测法判断，在施工不同时段钻孔涌水量会有变化，一般进入含水层位置会有水从孔口溢出。

二是通过汇集孔内溢出的水量变化情况，检验钻孔穿越地层是否是含水层。

三是可以通过喷出地表的岩粉鉴定岩性判断含水层类型。根据钻机运行的平稳程度及进尺快慢判断是否为破碎带。在钻进过程中全载的情况下，钻具由平稳钻进突然上下跳动，钻进中发生掉块、坍塌、卡钻或者钻具突然下落，钻机也随着抖动，孔口上返的岩粉含较多砂砾、卵砾石并且磨圆度和分选性好坏，可考虑该段岩层判定为含水层[3]。

四是根据工作区特有的地层地质年代特征以及成因类型判别含水层的位置。钻进中遇上湿润的更新统及全更新统冲积砂、砂砾石，多判定为含水层[7]。钻进中遇新近系上新统玄武岩，柱状节理与气孔发育，多判定为含水层。钻进中遇到下白垩统龙井组砂岩、砂砾岩，可判定为含水层。钻进中遇花岗岩等风化带，岩体结构面裂隙发育，裂隙面有绿色水锈，可判定为含水层[8]。

3 新型滤水套管的应用

为了验证新型滤水套管的滤水和钻进效果，在“东北边境珲春—东宁地区综合地质调查”项目ZK01号水文地质钻孔进行了应用示范。根据应用地质综合调查中水文地质钻探质量标准和要求的特殊性，结合施工实践经验，确定适合应用地质调查水文地质钻探配套的设备，优化钻进参数，规范钻进操作要求。充分利用工作区已有钻探资料，掌握工作区地层情况，了解含水层位置，为新型滤水套管的应用提供依据[9]。

3.1 水文钻孔基本情况

结合已有水文地质资料，工作区内含水岩组按其含水类型可分为3种类型，松散岩类孔隙含水岩组、岩浆岩类裂隙含水岩组和碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。松散岩类孔隙含水岩组，分布在较大的沟谷中，由上更新统及全新统冲积砂、砂砾石组成，颗粒大致从漫滩至阶地由粗变细，含水层变薄，赋存孔隙潜水，富水性随含水层厚度不同而变化，单井涌水量一般100～1 000 t/d；岩浆岩类裂隙含水岩组，分布在北部和南部低山区，主要由花岗岩、玄武岩等组成，地下水赋存于风化裂隙中，风化带厚度随地貌、岩性而异，含水层厚度30 m左右；碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组，主要分布在中部绥芬河河谷地带，由砂岩、砂砾岩组成，其中赋存裂隙孔隙水，具承压性质，推算涌水量100～500 t/d(1)刘万辉, 郑广桥, 李龙, 等. 黑龙江省区域地质矿产调查报告[R] .哈尔滨：黑龙江省地质资料档案馆，2014.。

3.2 设备的选择与配套

施工地区选择在地势平坦，第四系覆盖的区域，且孔深在50 m以内，因此采用型号与钻进深度相匹配的履带型钻进行钻进，以提升施工效率[10]。选用徐工160型履带式气动潜孔锤钻机(表2)，该钻机配有动力头钻机，可张开和回缩的气动潜孔锤偏心钻头，可以进行同步跟管作业的搓管机构，满足钻进深度和钻孔孔径能力的空压机。

表2 水文地质钻机配套装备表

设计钻孔应考虑抽水试验要求，抽水试验应满足下入不小于200 mm口径的新型滤水管，并确保滤水套管外有足够的空隙。通过估算涌水量确定潜水泵型号，按照含水层位置和隔水层厚度，确定止水位置。施工时同步跟进新型滤水套管，采用黏土、木塞、海带综合止水，管壁不投砾料或者根据实际情况投入少量二氧化硅粒料。当水文井进完成后，依据揭露的地层结构、水位等情况，选择适当的方法计算含水层渗透系数和单井最大出水量等[11]。

3.3 抽水试验验证

以水文地质钻孔ZK01为例，抽水试验孔孔径φ220 mm，成孔深度30.5 m(图2、图3)，垂直揭露的地层主要为第四系含水层，估测涌水量较大，故本次试验采用单孔潜水完整孔稳定流抽水试验，抽水试验时及结束后对水位进行观测，绘制了相关曲线并计算了有关水文地质参数。

图2 ZK01钻孔柱状图Fig.2 Borehole histogram of ZK01

图3 ZK01钻孔施工照片Fig.3 Borehole construction photo of ZK01

本次抽水试验按《供水水文地质勘察规范 GB50027-2016》《1∶50 000 应用地质综合调查测量作业规程》《1∶5万水文地质调查规范》相关内容执行。

根据抽水阶段数据绘制降深S和时间t数据曲线(图4)，从曲线可以看出抽水稳定时间持续390 min，水文孔水位波动值未超过3.0 cm，根据抽水试验技术要求及其他技术要求参数从工程实用观点出发，为了简化计算，采用比较成熟的稳定流理论，因此，本次抽水试验按稳定流问题处理。

图4 ZK01单井稳定流水抽水试验水位降深S-t曲线Fig.4 Water level drawdown S-t curve of ZK01 single well steady flow pumping test

根据抽水试验水位恢复阶段数据绘制降深S和时间t数据曲线(图5)，从曲线可以看出抽水稳定时间持续80 min，可视为水位已恢复稳定。

图5 SQZKS04单井稳定流水抽水试验水位恢复S-t曲线Fig.5 Water level recovery S-t curve of SQZKSD04 single well steady flow pumping test

本次抽水试验揭露了整个第四系松散岩类孔隙潜水含水层，并进行了止水处理。因此本次抽水试验钻孔为完整孔，可以应用潜水完整孔裘布依公式，库萨金经验公式求渗透系数K、影响因子R和导水系数T，公式如下：

(1)

(2)

T=K×H

(3)

式中：K——渗透系数(m/d)；

T——导水系数(m2/d)；

R——影响半径(m)；

Q——单井涌水量(m3/d)；

H——潜水含水层厚度或潜水水头高度(m)；

rω——抽水井的井半径(m)；

Sω——抽水井的水位降深(m)。

通过上述公式的计算，可以得出渗透系数等基本水文地质参数(表3),不同降深不同水泵型号不同安装位置出水量不同，所以在不影响周边已有水井取水和不破坏地下水的现状前提下，确定允许降深，从而确定出水量、水泵型号及安装位置。

表3 水文钻孔单孔裘布依公式计算结果表

3.4 计算结果及评述

采用单井稳定流抽水试验法，利用裘布依公式计算得到渗透系数K=2.194 m/d，导水系数T=47.30 m2/d，影响半径R=18.57 m。

含水岩组富水性是根据钻孔单位涌水量进行划分。换算成以抽水钻孔口径为91 mm，抽水降深10 m时的涌水量。本次抽水只有一次抽水降深，采用下列公式计算降深10 m时的涌水量[2](表4)。

表4 ZK01钻孔涌水量换算结果表

(4)

式中：Q10——换算成10 m降深时的钻孔涌水量(m3/d)；

Q0——钻孔实际涌水量(m3/d)；

S——钻孔实际抽水降深(m)；

S10——换算10 m降深(m)；

H——潜水含水层厚度(m)。

钻孔口径变换后的涌水量计算公式，采用下列经验公式：

(5)

式中：n=0.73+0.27d0/d0=1.353;

d10——换算10 m降深时的钻孔口径(m);

d0——实际抽水孔口径(m);

Q富——换算成钻孔口径91 mm降深10 m时的涌水量。

通过口径换算公式计算得到Q富为298.28 m3/d，大于100 m3/d，小于500 m3/d，因此将该处第四系松散岩类孔隙水含水层的富水性定性为中等。

本次试验采用单井稳定流抽水试验法对水文地质参数进行了计算[13]，抽水试验水位流量变化符合水位稳定标准，用裘布依公式和库萨金经验公式计算了渗透系数和影响半径，与该地区的水文地质经验参数基本一致，计算结果可靠，验证了新型滤水套管的合理性实用性。

4 结语

新型滤水套管技术配合气动潜孔锤施工工艺，适用于大部分第四系，对卵砾石层及破碎含水层钻进极为有效，显著提高水文地质井的成井效率。新型滤水套管不仅满足了潜孔锤跟管钻进过程中套管护壁的需求而且同时满足了高效滤水需求，可以随潜孔锤跟管钻进一次成井，施工周期短、降低了劳动强度，解决了松散第四系含水层水文井成井困难的问题。通过实际验证得出新型滤水套管进水效率高，出水均匀，强度大，只需下入少量砾料或者不需要下入砾料，具有广泛的应用前景。