潘德元， 贺前平， 王 杰， 蔡 隽， 方国庆， 杨 涛
(中国地质调查局 长沙自然资源综合调查中心， 长沙 410600)
随着工业化、城镇化和现代农业化的发展，人类的社会经济活动对地下水的影响程度和影响范围不断加大，地下水水质日益恶化，面临的污染风险逐渐加剧，资源与环境形势的矛盾日趋严峻[1-2]。因此通过建设地下水监测井开展地下水水质、水位等各项参数监测，准确地掌握目标区域地下水特征，及时发现地下水受影响程度、变化趋势及其采取科学治理措施的评价效果是十分必要的[3-4]。
在中国2015年启动的国家地下水监测工程中共布设了20 401个地下水监测站点，由自然资源部负责建设的地下水监测站点为10 103个，其中施工的监测井为7 197眼，钻探进尺达到68. 4万m[5]，地下水监测井在工程中起到了重要作用。同时，中国近年来发布了一批相关的技术规范[6-10]，对地下水监测井部署原则、钻探方法、成井工艺、井径与井管大小、滤料及砾料厚度等均提出了相应的要求。
在地下水监测井建井过程中，钻探工艺及成井工艺是其质量控制的关键和重点。国内不少学者结合国家地下水监测工程重点对地下水监测井钻探关键技术进行了研究分析，从施工组织管理、钻孔结构、管材选择等方面进行了论述[1-3,11]，为提高钻探质量和效率提供了参考。但是在成井工艺方面，研究主要集中在砾料和止水材料的选择方面[12]，依然采用传统方式方法进行填砾止水，整体工序较烦琐，为保障质量时常需采用返水填砾、抽水填砾、导管填砾等方法，并需勤测填入厚度，耗费时间较长。
在此提出一种浅层地下水监测井的快速成井工艺技术，对成井过程中的关键技术问题进行分析和试验，以期为其提供启示与借鉴。
目前常规地下水监测井成井过程中，在完成钻探工作、井管下到位后，需要在井管与井眼之间的环状间隙中分层填入砾料和止水材料进行成井作业，依据相关的技术规程规范要求，成井工作存在以下特点。
1.1 井径及井管要求
地下水监测井其目的重点是获取地下水水文参数、采集地下水水样，对地下水出水量要求不高，因此规范要求的井管直径比开采井小，并且随着地下水监测仪器和取样设备技术小型化发展，地下水监测井井管直径要求也越来越小型化。在规范DZ/T 0270—2014第5.2.2条中要求井管外径设计不小于φ146 mm[8]；
在规范DZ/T 0310—2017第5.3.2条中要求地下水巢式监测井根据监测需求合理选择，井管外径范围为φ50～150 mm[7]；
在规范HJ 164—2020第 5.1.1.4 e)条中已经要求井管的内径要求不小于φ50 mm，以能够满足洗井和取水要求的口径为准[6]；
在集束式监测井试验时监测管外径取φ32 mm[13]；
地下水连续多通道监测井中井管的通径一般不大于32 mm[14]。
井管与井壁之间需要填入砾料和止水材料，为确保填入工序的顺利实施，在规范DZ/T 0270—2014第8.3.2条要求松散孔壁与管壁之间的环状间隙不小于100 mm[8]。根据相关规范要求，监测井的井径一般需要比井管外径大200～300 mm，如采用内径φ50 mm，壁厚5 mm的井管成井时，钻探的井眼尺寸应在φ260 mm以上。由于环状间隙大，井管在入井时需要每隔一段距离安装简易扶正器，确保井管在井眼中居中，保障填砾止水效果。
虽然随着监测技术发展，对井管直径的要求不断减小均能满足地下水监测要求，但是为保障成井质量，钻探施工的井径、钻探设备要求等基本保持不变。因此，环空间隙的大小是影响钻探施工口径的重要因素。
1.2 止水材料及填入工艺
由于膨润土具有强吸水性、高膨胀性和极低的渗透性，因此在地下水监测井成井过程中，对于设计封隔的止水井段一般采用由膨润土压制而成的颗粒状黏土球从井口倒入填充该井段，等其水化膨胀后完全填充环空间隙，阻隔上下含水层的水力联系，为准确监测目的含水层提供支撑。
黏土球填入时应在井管四周均匀缓慢填入环空内，如图1所示，不得从单一方位投入，同时准确计量投入的黏土球体积，计量填入3～5 m井段后应采用测绳探测黏土球下层的深度。
图1 井口填入黏土球
1.3 目的含水层砾料厚度
目的含水层填砾的主要目的是在滤水管与井壁之间形成人工过滤层，增大滤水管四周的孔隙率和透水性,减小进水时的水头损失,以增加单井出水量；
同时起挡砂作用，以防止含水层中的细小砂粒涌进滤水管内,延长水井的使用寿命。
在GB 50296—2014第5.4.4条文说明指出，室内试验表明砾料厚度达到25 mm以上即可有效地实现挡砂，在实际施工中考虑多种因素需要设计加大砾料厚度，但是结合地下水监测井的主要目的，砾料厚度实现挡砂即可。
1.4 常规监测井成井工艺缺点分析
根据对监测井钻探施工及成井工艺分析，当前地下水监测井建井时主要有以下缺点：
1)钻探施工井径大。随着监测技术发展，对于监测井井管直径需求逐渐减小，但是受到成井工艺限制，成井要求井径较大，施工时一般采用小口径进行全孔取心，然后大口径扩孔作业，增加了钻进过程中的风险，同时提高了施工成本。
2)成井工艺复杂。砾料和止水材料填入程序烦琐，风险较高，易发生复杂情况，砾料和止水材料填入厚度难以精确掌握。
在满足地下水监测井目的的前提下，针对上述成井中的问题，提出通过提前预制滤水管体和止水管体替代填入砾料和止水材料的流程，可实现小口径钻探，缩减成井时间，降低成井风险，提高地下水监测井成井质量和成井效率。
2.1 优化止水段成井
目前水文地质行业中常用的颗粒状黏土球主要通过滚压法进行生产，即采用两个有印模的滚轮把一定含水率的膨润土粉末压制成的杏核状颗粒，不同规格型号的印模制备的黏土球颗粒粒径不同，一般粒径越小加工成本越高。如图2所示，粒径15 mm的黏土球主要应用在一些高质量要求的示范井及试验场地中，市场上常见的主要是30 mm和50 mm的黏土球，均具有良好的止水效果[13]。
图2 不同粒径的黏土球
在止水作业时，受到钻井液的影响，黏土球颗粒是一个在浮力作用下的堆积过程，同时球体颗粒之间由于表面水化会产生一定吸附力，所以井眼的环空间隙需要满足黏土球颗粒的沉降，以防止颗粒在沉降过程中发生抱团、黏附或阻卡现象。黏土球颗粒粒径越大，间隙需要越大，一般应是颗粒粒径的2～3倍以上。
因此，为了解决黏土球止水过程中的困难，减少黏土球填充的工序，准确地控制井眼中止水段位置和厚度，减小成井所需的井眼直径，对止水工艺进行了创新。
采用钠膨润土作为材料，喷洒一定的水分后放入模具中压制成管状，尺寸参数与井管相匹配，可直接套在井壁管外侧，如图3所示；
也可与井管一起放入模具中挤压，形成一体式。膨润土的厚度与过滤层厚度一致，应不小于25 mm，井壁与止水管材之间的空隙应不大于黏土球自然沉降产生的颗粒间的总的空隙。
图3 膨润土制止水管材
2.2 优化目的含水层填砾工艺
中国在20世纪70年代就开始对贴砾滤水管开展了研究，具有较成熟的理论基础，在水文水井成井和修复中得到了一定应用[15]。由于贴砾滤水管结构特点(图4)，主要是应用于全孔下入贴砾滤水管的井眼中，对于设计填砾止水的水文井，为保障填入止水材料顺利到位，井眼直径一般远大于贴砾滤水管外径，环空间隙过大，使用贴砾滤水管后依然需要填入砾料稳定井壁，支撑止水材料，因此性价比和适用性不强。
图4 贴砾滤水管剖面图
对于浅层地下水监测井，在配合应用止水管材进行止水时，是直接应用贴砾滤水管替代填砾，依据GB 50296—2014第5.4.4条文说明，贴砾层厚度不小于25 mm，贴砾粒径匹配含水层粒径级配，必要时可采用不同粒径的砾料形成多层(两层)贴砾层作为反滤层，提高渗透系数。
由于止水管材与贴砾滤水管的外径一致，因此井眼直径可以大幅度减小，根据浅部地层(深度≤50 m)施工经验及常用岩心钻探管径级配，井眼直径需大于管材外径10～20 mm。
2.3 浅层地下水监测井快速成井工艺
1)采用钻机完成钻探作业，通过取心编录或结合物探测井准确划分钻孔钻遇的含水层和隔水层。
2)根据水文地质调查监测目的确定目标含水层及止水段，将贴砾滤水管和止水管材按照监测目的要求排列好入井顺序。
3)对钻孔内浆液进行冲孔换浆，下管前对钻孔进行通孔，保障钻孔畅通无阻。
4)校正下入井管深度、贴砾滤水管和止水管材长度及安装位置，按照排列顺序下入井中，贴砾滤水管位置须对应目标含水层，止水管材对应隔水层和非目标含水层，井管之间采用丝扣方式连接。
5)洗井作业，破除含水层段井壁泥皮，也可采用管内分层装备针对单独含水层进行分层洗井。
6)孔口位置封孔，安装井口保护装置，开展地下水监测作业。
3.1 黏土球堆积空隙分析
膨润土制的黏土球防渗性能与蒙脱石矿物成分密切相关，蒙脱石吸水发生层间膨胀，形成渗透系数很小的材料[16]，从而有效地达到止水效果。由于膨润土的特性，在水文地质行业中成井时黏土球填入厚度达到规范要求后，基本都能实现所需的止水效果，因此对其的研究不够深入，相关规范中对于黏土球粒径、颗粒密度、堆积密度等各项性能指标均未做详细要求，而在核废料回填处置工程中对黏土颗粒的性质进行了深入研究[17-18]，因此结合其研究方法对黏土球进行初步分析。
膨润土矿物成分及黏土球制作工艺影响，不同蒙脱石含量的膨润土制作黏土球所需的含水量不同，滚压过程中作用功也对黏土球的密实度产生影响，不同粒径的黏土球密实度也不相同。基于此，选用市面上易采购的图1中3种粒径黏土球进行初步分析，膨润土比重取2.7 g/cm3，自然含水率取10%，制作黏土球增加的水量取膨润土质量的5%～8%。
黏土球颗粒密度与堆积密度测量数据见表1。堆积密实度为无量纲参数，为黏土球颗粒的实际体积与黏土球的堆积体积之比，此处堆积密实度取在大空间下的松散堆积密实度，但是在井眼环空填入时，环空间隙与黏土球直径远小于忽略器壁效应的比值，黏土球会产生土拱效应[19]，实际堆积密实度小于表中数值。因此，在井眼环空填入黏土球体积一般不大于环空容积的60%。
表1 不同粒径黏土球堆积参数
3.2 止水管材参数分析
根据表1可知，采用预制的止水管材进行止水时，止水管材的体积大于井管与井壁之间容积的60%，止水效果可达到采用黏土球时的效果。
取止水管材厚度25 mm，一侧的环状间隙取10 mm，容积比见表2，均大于0.6，止水效果可达到黏土球的效果。根据黏土球水化效果，体积越大所需的水化时间越长，因此采用止水管材时应给出充分的水化时间。
表2 不同管径的容积比
3.3 快速成井工艺保障措施
为保障贴砾管与止水管能够顺利下到预定地层段，需要求井眼稳定，管串入井阻力小，因此钻探施工时间不宜，井深不宜过大，裸眼段长度宜控制在50 m以内。
对于浅部地层大井眼施工时，受地层岩性影响，黏土层段易产生缩径，松散地层段易井径扩大，且井径扩大或缩小的数值一般与施工井径正相关，甚至大于止水管材的厚度，从而对成井质量产生影响。为确保快速成井工艺的质量，井径宜控制在φ150 mm以内，最大不宜超过φ200 mm。
根据表1、表2数据，为确保止水效果和管串入井顺利，需合理控制环空间隙，宜控制井径大于管材外径10～20 mm。
1)针对地下水监测井的主要目的与特点，对其成井工艺中关键的填砾与止水工序进行优化，贴砾滤水管具有较成熟的工艺，市场上的陶土厂家具备生产止水管材的技术，因此该项工艺从技术上具有良好的可行性。
2)运用该项工艺可有效地减小水井钻探口径，降低成本，提高钻探效率，减少环境影响，适用于多种小口径钻机。
3)滤水管无须缠丝包网，省略填入砾料和止水材料的工艺流程，提高成井效率和成井质量；
结合岩心及测井资料可准确地对含水层和隔水层下入贴砾滤水管和止水管，对地下水监测更加精细化和准确化，为今后监测井的发展提供新的思路和研究方向。
4)对快速成井宜采用的井深、井径、环空间隙进行了分析，止水管材能够达到黏土球的止水效果，不足之处是尚处于试验阶段，对于有效控制的井径和深度尚需进一步验证。
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