水文地质孔分层抽水装置的研制

和新，郝国利，张庆宙，张万河，程林，李晋锐，解少朋

(河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081)

0 引言

随着对地下水的深入研究，在水文地质勘查活动中，钻孔(井)分层抽水试验已成为常用的技术方法，通过分层抽水试验取得钻孔(井)各含水层段的水量、水位、水质和水温等水文地质参数，可以更加准确地评价地下水资源。抽水试验质量直接影响着对勘查区水文地质条件的认识和水文地质计算成果的精确程度。为实现分层抽水试验目的，需按设计要求利用止水装置对不同含水层段进行隔离止水，目前国内一般采用下套管、止水塞(胶塞、膨胀橡胶、海带)及气囊封隔器等止水方法。上述方法分别存在着操作不便、止水效果不易检测、成本高、适用钻孔(井)范围小等问题。基于这一背景，我们从地质项目需求出发，结合施工设备、钻具，从经济适用、便于操作等方面对现有分层止水设备进行了改进优化，针对两种典型钻孔(井)结构，研制了一套分层抽水试验装置，经过实际使用，取得了满意效果。

1 分层抽水装置构成

本次研制的装置包括泵室管、止水橡胶塞、伸缩式止水橡胶塞、皮碗止水器、止水座环及辅助配件等。上述止水装置与水下自动监测水位计、数据线、电脑、潜水泵等产品配合使用，构成分层抽水试验装置。

1.1 泵室管

1.1.1 泵室管结构

泵室管由直径194×8 mm无缝管、法兰盘、直径89 mm钻杆短节等构成。图1为泵室管结构图。

1.直径89 mm钻杆公接头；2.法兰盘；3.连接螺栓；4.连接盘；5.直径194 mm无缝管；6.连接底盘；7.直径89 mm钻杆母接头图1 泵室管示意图Fig.1 Schematic diagram of pump room pipe

1.1.2 泵室管作用

分层抽水试验时，潜水泵与法兰盘连接安装在管内下入井孔内，通过钻杆短节与皮碗止水器和出水管连接，达到分层抽水试验目的。无缝管体开100 mm×20 mm(长×宽)的条缝，做为含水层进水通道。

1.1.3 泵室管规格尺寸(表1)

表1 泵室管规格尺寸表Table 1 Specification and dimension of pump room pipe

1.2 止水皮碗

皮碗由耐磨、耐老化、韧性好的丁氰橡胶做成，安装于皮碗止水器杆体上，与井管内壁过盈配合止水。

1.3 橡胶套

橡胶套由耐磨、弹性好的丁氰橡胶制成，套装在皮碗止水器止水材料(海带、快速膨胀橡胶等)外部固定，下井后止水材料遇水膨胀迫使橡胶套外圆上设置的圆环条与钻孔(井)内壁贴紧，实现止水密封。

地下水通过设置在橡胶套上的孔眼进入止水材料，使止水材料遇水膨胀，尺寸可根据钻孔结构、井管内径设定。止水橡胶套剖面图如图2所示，技术参数如表2所示。

图2 橡胶套剖面图Fig.2 Profile of rubber sleeve

1.4 皮碗止水器

皮碗止水器是一种钻孔(井)内遇水膨胀止水材料和过盈止水皮碗共同作用的联合止水器。

1.4.1 皮碗止水器结构

皮碗止水器分为两种，即过电缆止水器和不过电缆止水器，由直径127 mm中心管、上下接头、皮碗、止水圆盘、过缆内埋管、止水材料、橡胶套等组成。如图3、图4所示。

图3 皮碗止水器Fig.3 Rubber bowl water stop

图4 过电缆皮碗止水器Fig.4 Rubber bowl water stop through cable

1.4.2 皮碗止水器止水原理

皮碗止水器与钻杆、水泵连接后下入井内预定深度位置后，依靠止水皮碗和套管内壁的过盈配合来密封井管与中心管环空，同时在皮碗下部中心管体上设置止水圆盘，两圆盘中间缠绕止水材料(海带、快速膨胀橡胶等)，外部用橡胶套固定，用下圆盘锁紧，下井遇水2～4 h后材料膨胀与井孔内壁贴紧，与皮碗达到双重止水目的。止水圆盘、皮碗可根据不同钻孔(井)直径更换。

1.4.3 皮碗止水器技术参数(表3)

表3 皮碗止水器技术参数表Table 3 Technical parameters of rubber bowl water stop

1.4.4 解封

完成分层抽水试验后，直接将抽水试验钻杆柱提出即可。

1.5 止水座环

由无缝短管、管内座环组成，成井下管时与井管连接在最下部滤水管底端或顶端，起到支撑橡胶止水塞、钻杆柱的作用。座环管体为219 mm×8 mm无缝管，长度600 mm，内座环厚度80 mm，内径140 mm。

1.6 止水橡胶塞

1.6.1 止水橡胶塞结构

止水橡胶塞由89 mm钻杆、上下压盘、空心橡胶塞等组成，如图5所示。

1.直径89 mm钻杆短节；2.橡胶塞挡盘；3.空心橡胶塞；4.中间盘；5.紧固螺母图5 止水橡胶塞Fig.5 Rubber plug water stop

1.6.2 止水橡胶塞作用

分层抽水时，止水橡胶塞下放到井内止水座环位置后，在钻杆自重压力作用下，橡胶塞横向膨胀变形，与井管内壁紧密结合，隔离上下含水层。

1.6.3 止水橡胶塞技术参数(表4)

表4 止水橡胶塞参数表Table 4 Technical parameters of rubber plug water stop

1.7 伸缩式219 mm止水橡胶塞

1.7.1 伸缩式止水橡胶塞结构

由89 mm钻杆、伸缩滑套、伸缩杆、127 mm滤水管短接、上下压盘、橡胶塞等组成。分为花管式和白管式两种。花管式伸缩式止水橡胶塞如图6所示。

1.直径89 mm短钻杆；2.滑套；3.丝堵；4.直径127 mm无缝管；5.直径127 mm花管；6.直径89 mm钻杆母接头；7.推力盘；8.空心橡胶塞；9.中间盘；10.加强肋骨图6 伸缩式止水橡胶塞(花管式)Fig.6 Telescopic rubber plug water stop

1.7.2 伸缩式止水橡胶塞作用

伸缩式止水橡胶塞下放到位后，在钻杆柱自重压力作用下，伸缩杆进入滑套，伸缩滑套顶住止水压盘，橡胶塞横向膨胀变形，与井管内壁紧密结合，隔离上下含水层。

1.7.3 伸缩式止水橡胶塞技术参数(表5)

表5 伸缩式219 mm止水橡胶塞参数表Table 5 Technical parameters of telescopic rubber plug water stop

1.8 地下水水位、水温自动记录仪

1.8.1 地下水位水温自动记录仪作用

分层抽水时安装在目的层和相邻含水层止水装置上，持续测量地下水水位和温度等参数，通过数据线传输到地面电脑，实时监测、记录和显示抽水目的层水位降深和水温变化，并监测分层止水效果。

1.8.2 地下水位水温自动记录仪技术参数

地下水位和温度自动记录仪，型号为M30、100、200三种，最大测量深度范围水位以下200 m，监测精度0.05%/0.05℃，工作温度-20～+80℃，采样频率0.125 s/次～99 h/次，直径22 mm，长度159 mm，质量129 g。性能参数如表6所示。

表6 水位、水温自动记录仪型号性能参数表Table 6 Model and performance of automatic recorder of groundwater level and temperature

1.8.3 使用方法

分层抽水试验时，在抽水目的层和相邻含水层止水装置上分别安装自动监测传感器，持续测量试验段的水位压力和温度等参数，通过数据线传输到地面电脑，可实时监测、记录和显示抽水目的层水位降深和水温变化，并监测分层止水效果。

2 典型水文地质钻孔结构及止水方法

本次工作针对性地研制了两种分层止水抽水装置。其他水井结构的分层止水可以通过更换不同规格的橡胶塞和橡胶伞，改变止水装置组合方式完成。

2.1 第一种钻孔(井)结构

2.1.1 水井结构

深度小于200 m，井管直径325(273)×7 mm钢管，一径到底。图7为典型水井结构示意图。

图7 典型钻孔(井)结构示意图Fig.7 Diagram of typical borehole structure

2.1.2 安装使用方法

按照设计下入分层抽水止水装置，对分层抽水试验目的层上下用皮碗止水器止水封隔，水泵安装在泵室管内，用钻杆和泵室管连接进行抽水试验，同时使用自动水位计监测目的层和其他含水层水位变化，检验止水效果。图8为下部含水层分层抽水装置安装示意图。

图8 下部含水层分层抽水装置安装示意图Fig.8 Installation diagram of stratified pumping device in lower aquifer

下入井孔前，确定抽水目的层位置，准确计算止水装置下入深度。地面安装检查皮碗止水器、泵室管、水泵、电缆接头是否可靠。

依据抽水目的层段所处位置下井次序分别为：①中间含水层分层抽水装置结构，皮碗止水器+89 mm 钻杆+泵室管(内安装水泵)+89 mm钻杆+上部过电缆皮碗止水器+电缆、传输线+抽水钻杆；②下部含水层分层抽水装置结构，泵室管(内安装水泵)+89 mm钻杆+上部过电缆皮碗止水器+电缆、传输线+抽水钻杆；③上部含水层分层抽水装置结构，皮碗止水器+89 mm钻杆+泵室管(内安装水泵)+电缆、传输线+抽水钻杆。

连接电缆、数据线，安装地面弯头、抽水试验测量仪器、启动柜。开泵进行抽水试验，检查水泵出水、数据传送是否正常，止水效果是否可靠。抽水试验结束后，提出井孔内分层抽水装置，按照同样方法，依次进行下一层抽水试验。

2.2 第二种钻孔(井)结构

2.2.1 井身结构

第四系两级井管变径成井。

一级井身结构：0～120 m，钻孔口径550 mm，井管规格325 mm×7 mm白管，通常为下泵段不设滤水管。

二级井身结构：120～450 m,钻孔口径450 mm，井管规格219 mm×6 mm钢管，对应含水层安装滤水管。图9为典型水井结构示意图。

图9 典型水井结构示意图Fig.9 Diagram of typical water well structure

2.2.2 分层抽水安装使用方法

按照设计下入分层抽水止水装置，对分层抽水试验目的层采用止水橡胶塞、伸缩式止水橡胶塞止水封隔，同时使用自动水位计监测目的层和其他含水层水位变化，检验止水效果。图10为下层含水层分层抽水装置安装示意图。

图10 下层含水层分层抽水装置安装示意图Fig.10 Installation diagram of stratified pumping device in lower aquifer

安装井管时将止水座环焊接在下部抽水目的层底板或顶部隔水层位置。

根据止水座环深度、静水位和抽水目的层需要，准确计算止水装置各部分长度，按顺序依次下入止水装置，用钻杆送入。①下层含水层抽水，止水橡胶塞+导水管(钻杆)+伸缩式胶塞止水器(白管式，上层止水)+出水导管(钻杆)→预定位置倒扣→提出钻杆→下泵段安装水泵；②中间含水层抽水，止水橡胶塞(底口封闭)+钻杆+伸缩式胶塞止水器(花管式)+出水导管(钻杆)+伸缩式胶塞止水器(白管式，上层止水)→预定位置倒扣→提出钻杆→安装水泵；③上层含水层抽水，止水橡胶塞(底口封闭)+钻杆+伸缩式胶塞止水器(白管式，封闭最上层底部，同时安装水位监测探头)+导水管(钻杆)→预定位置倒扣→提出钻杆→安装水泵。

到达设计位置后，钻杆倒扣，将上部钻杆提出，止水装置留在井内。

止水胶塞在钻杆重量作用下，胶塞横向变形，与井管内壁压紧实现封隔止水。

抽水试验时目的层承压水由钻杆导出，进入325 mm井管下泵段内，下泵、下测线或探头观测水位，同时自动水位监测探头检测相邻含水层组水位变化情况。

抽水试验结束后，提出水泵，用直径89 mm钻杆对扣提出止水装置。按照同样方法，依次进行下一层分层抽水。

3 钻孔(井)施工技术

3.1 分层

进行分层抽水的钻孔(井)，应先进行全孔取心钻进，依据地质岩心编录、测井资料及目的任务划分含水层、确定分层位置。

3.2 钻孔口径

第四系填砾水井应尽量加大钻孔口径，钻孔直径≥井管直径230 mm以上为宜，钻孔圆滑无台阶、狗腿等现象，便于管外准确分层填砾止水。

3.3 孔斜控制和孔深测量

钻进过程中，通过优化钻具结构、钻进技术参数、加扶正器等措施，严格控制孔斜率(<1°/100 m)。用钢卷尺逐根丈量井内钻具，准确计算孔深及各抽水目的层位置，孔深误差≤1%。

3.4 冲孔换浆

终孔后下管前，按照要求进行冲孔换浆，清除沉淀，换浆时间根据孔深确定，一般不少于2个循环周期，泥浆密度<1.08 g/cm3。

3.5 井管安装

井管送达井场后，逐根测量检查，对弯曲、变形的井管及时更换或处理；用通规对井管逐根通径，刮除井管内壁毛刺、杂物，确定排管顺序并编号，确保滤水管安装位置对应含水层；采用丝扣或焊接井管时，管口对正焊接牢固，无砂眼、内台阶现象；每30 m在井管上安装扶正器，保证井管位于钻孔中心；下管过程中，随时观察孔内及管内液面高度，及时向管内加注清水，避免管内外压差过大。

3.6 填砾与止水

3.6.1 填砾

根据设备及施工特点，可采用静水或动水法填砾，通过冲洗砾料、稀释泥浆，达到砾料下行通畅、利于投料的目的。

填砾有以下要求：①砾料材质规格选取质地坚硬、密度大、浑圆度好的石英质砾石，砾径视含水层的有效粒径确定，一般为含水层有效粒径的6～8倍；②砾料应干净，含泥量或杂质较多的砾料，过筛水洗后方可使用；③砾料位置在自滤水管底端以下≥1 m 处至滤水管顶端以上≥6 m处；④填砾时从井口四周均匀填入，及时检测砾料面高度，避免产生“架桥”堵塞现象。

3.6.2 管外分层止水

管外止水材料包括黏土球、水泥浆等永久性止水材料和托盘、海带、膨胀橡胶等临时性止水材料，一般选用黏土球止水。

黏土球止水时采用杂质少、黏度大、膨胀率好的优质黏土制作，直径20～40 mm，晾晒至半干为宜。填入前计算黏土球方量，填入高度根据井深、滤水管段大小及隔水层厚度确定，应高出砾料面6 m。

4 使用效果

4.1 案例1

在京津冀1∶5水文地质、环境地质调查项目中，对8眼深度360～430 m第四系水井进行分层抽水试验，使用该套止水装置抽取第Ⅳ含水层组地下水时，水位自动记录仪实时监测，第Ⅲ含水层组水位基本稳定，上下浮动在允许范围内，说明止水效果良好，数据可靠，达到了预期目的。

4.2 案例2

在海河南水文地质钻探、张家口后备水源地勘查等项目中，对5眼深度200 m以内的水井进行分层抽水试验，使用该套止水装置止水效果良好，数据可靠。

5 结语

研制的分层抽水装置有效地解决了分层抽水试验问题，其创新性在于综合其他分层止水方法优点，利用直径89 mm钻杆作为导水、出水管，安装于孔内的自动记录仪探头监测上下含水层水位变化，实时传输抽水试验数据，检验止水效果。

该套分层止水装置综合了止水塞和遇水膨胀止水的优点，摒弃了充气气囊止水方法，使用范围广、深度大，特别适合于深孔分层止水抽水试验；装置利用了施工钻杆作为配重、导水管和出水管，方便实用；水位监测探头在分层抽水时实时传输记录数据，能够随时检查止水效果；使用效果好，加工制作成本低。