含水层地下水开采中的应用3

李小杰,叶成明,郑继天,刘迎娟

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定071051)

摘　要:水平水井是开采浅层低渗透性含水层地下水的有效方法,水平水井施工包括钻进、护壁、扩孔、井管安装、填砾、洗井等步骤。对导向钻进铺管技术在浅层低渗透性含水层地下水开采中的工艺进行了详细探讨。通过研究,研制出了适合水平水井施工的过滤器,提出了相适应的钻进方法和成井工艺,为浅层低渗透性含水层地下水开采提供了一种新方法。

关键词:导向钻进;低渗透性含水层;地下水;水平水井

中图分类号:P634.5　　文献标识码:A　　　　　　文章编号:100027849(2009)0120119204

　　随着工农业生产的飞速发展,地下水需求量越来越大,水资源供需矛盾日益突出。如何合理开发利用有限的地下水资源是我们面临的重大挑战。浅层低渗透性地下水占据着浅层地质空间,阻碍大气降水的入渗,使每年大量的降水资源白白浪费。开采

,既可以增加地下水资源,解决干旱问题,又能改善浅层含水层的水质。

浅层低渗透性含水层埋深浅、层位薄、渗透性低,难以用常规取水管井开采。国外利用水平水井开采浅层低渗透性含水层中的地下水取得良好效果。相同条件下,水平水井的出水量相当于垂直井的3～10倍,甚至更多。目前,国内外兴起的导向钻进铺管技术,为水平水井开采浅层低渗透性含水层中的地下水提供了技术支持。我国导向钻进铺管技术已应用成熟,但将其应用于水平水井方面目前尚属空白。为此,笔者进行浅层低渗透性含水层地下水开采技术研究,主要目的是将成熟的导向钻进铺管技术应用到浅层低渗透性含水层地下水开采中,从而为浅层低渗透性含水层地下水开采提供一种新方法。

1　水平水井技术原理与钻进方法

1.1技术原理

地表水、降水等渗入到地层中,形成浅层地下水。浅层地下水埋深一般为10～50m。水平水井是开采浅层低渗透性含水层地下水的有效方法。在低渗透性含水层中沿含水层延伸方向铺设滤水管,地下水通过滤水管进入井管,再由专门设计的水泵抽出地表。水平水井见图1。

图1　水平水井示意图

Fig.1　Horizontal water well

1.2钻进方法

水平水井可以采用多种钻进方法来施工。钻探工程中常用的硬质合金钻进、跟管钻进、空气正反循环钻进等钻进方法均可用于施工水平水井。但这些传统的钻进方法只能用于直孔钻进,钻孔精度不高,因而只能施工较短的水平水井。将导向钻进铺管技术应用于水平水井施工,提高了水平水井的控制精度,使其更符合设计要求(图2)。如今,导向钻进铺管技术已经能够用于包括土层、砂层甚至基岩层在内的多数地层的施工,导向钻进铺管技术的技术能力和施工工艺完全能够满足浅层水平水井施工的需要。此外,导向钻进铺管技术最近几年在我国发展非常快,应用领域越来越广,导向钻进铺管成本也越来越低。因此,将导向钻进铺管技术应用到浅层水平水井的施工是现实可行的。

第28卷　第1期2009年　　1月　　　　

地质科技情报

Geological Science and Technology Information

Vol.28　No.1

Jan.　　2009

3收稿日期:2008203207　　　编辑:杨　勇

基金项目:国土资源部“十一五”第一批重大科技创新项目(1212010734411)

作者简介:李小杰(1979—　),男,助理工程师,主要从事水文地质钻探技术的研究和开发工作。

图2　导向钻进铺管示意图

Fig.2　Horizontal directional drilling

A.导向孔施工示意图;

B.铺管示意图

2　水平水井施工工艺

2.1钻进、护壁

浅层含水层通常结构松散、胶结性差,加之钻孔多呈水平状态,在导向孔钻进和钻孔回扩过程中孔壁失稳破坏问题十分突出。因此,钻进过程中应配制适宜的钻进泥浆来保护孔壁和平衡地层压力。钻进泥浆除平衡地层压力、保护孔壁外,还具有排除岩屑、冷却钻头、润滑钻具与孔壁、堵漏、软化硬岩土和进行导向水射流等作用。钻进泥浆除应具备钻进时所需要的相对密度、黏度、抗失水性能外,还要求其不污染地层和含水层的水质。适宜于浅层含水层水平水井钻进的几种泥浆及配方如下。

(1)钠羧甲基纤维素(Na2CMC)泥浆　该泥浆为提黏降失水型泥浆,采用速溶型中黏或低黏Na2 CMC起到提黏和降失水的作用。配制1m3泥浆的配方为:优质造浆黏土80～200kg,水1m3,纯碱5～10kg,Na2CMC3～6kg。泥浆性能:相对密度为1.07～1.10,黏度为25～35Pa・s,失水量小于30 mL/h,p H值约为9.5。

(2)木质素黄酸盐泥浆　木质素黄酸盐取材于亚硫酸纸浆废液,与煤碱剂配合使用,在提黏的基础上可以解决泥浆的防絮凝和降失水。配制1m3泥浆的配方为:黏土80～200kg,亚硫酸纸浆废液30～40kg,煤碱剂10～20kg,Na2CO35～10kg或NaO H3～8kg,水900～940L。泥浆性能:相对密度为1.06～1.20,漏斗黏度为18～40Pa・s,失水量为10～20mL/h,静切力为1min0.6～4.5Pa, 10min1.2～9.0Pa。钻进过程中为进一步降低失水量,可在每立方米泥浆中加1～3kg速溶Na2 CMC。

(3)腐植酸泥浆　这种泥浆以煤碱剂或腐植酸钠(钾)为稳定剂,可与其他处理剂配合使用。配制1m3基浆的配方为:煤碱剂50～200kg(或腐植酸钠,干量),Na2CO33～5kg,水905～955L。泥浆性能:相对密度为1.03～1.20,漏斗黏度为20～60 Pa・s,失水量为8～20mL/h,静切力为1min1.8～6.0Pa,10min3.6～12.0Pa,p H值为9～10。

(4)植物胶钻进粉泥浆　这类泥浆为无黏土相浆液。基本粉剂取材于一些含有丰富纤维素、淀粉、微胶团等特殊天然植物,通过加工制备成水化效果强,分散稳定性好,具有高黏度的钻井液造浆产品。

2.2钻孔轨迹设计

水平水井钻孔轨迹形式如图3所示,它由3段组成:第一造斜段、水平直线段和第二造斜段。水平直线段长度是水平水井过滤器的实际长度。第一造斜段是钻机上钻杆进入铺管位置的过渡段。因此,对于该类导向钻进铺管的施工,其导向孔的位置形态由以下5项基本参数决定:①过滤器安装起点(图3中B点),由项目要求和现场水文地质条件等客观因素决定;②过滤器安装终点(图3中C点),由项目要求、施工经济性和现场水文地质条件决定;③水平水井埋深h,根据项目要求、施工经济性和现场水文地质条件决定;④第一造斜段曲率半径R1,主要与钻杆最小曲率半径有关,由经验公式确定R1≥1200d(d为钻杆直径);⑤第二造斜段曲率半径R2,与所铺管材的允许弯曲半径有关,对于钢管一般取R2≥1200D(D为管材直径)。

图3　水平水井轨迹曲线

Fig.3　Path for horizontal water well

2.3扩孔

水平水井扩孔的目的是满足铺管口径的需要和减少铺管阻力。水平水井采用反拉回转扩孔(图4)。

图4　反拉回转扩孔示意图

Fig.4　Dragging and under2reaming

2.4井管安装

水平水井采用回拖法安装井管,在钻孔出口处组装好的井内管材与孔内钻杆柱相连接,然后经钻

021　地质科技情报　2009年

孔回拖钻杆柱,并在钻孔入口卸开钻杆。当全部钻杆柱均从钻孔内拉出时,井管即安装好。为便于安装井管,通常在钻杆柱的端部装一扩孔器,用于排除剩余钻屑或可能垮塌入孔内的岩土(图5)。

图5　回拖法铺管示意图

Fig.5　Pipe2laying with dragging method

回拖施工时,井管承受拉应力。拉应力的大小取决于钻孔弯曲段的曲率半径、井管质量、孔壁摩擦力和管材浮力等。因此铺管前应估算回拖时的安装应力,而且所选择的水平水井管材应能够经受安装时的恶劣条件。井管强度较弱和挠性较差处是两根管子间的连接处,因此应尽量减少井管的接头数量,并加固以增大其强度,使之能承受井管弯曲造成的应力。在计算或估算的拉力接近或大于过滤管所能承受的拉力时,不能采用常规方法回拖井管,为此,课题组开发出了套管回拉铺管法,解决了过滤器强度不够和回拉过程中滤眼容易堵塞的问题,降低因井管与孔壁摩擦可能出现的孔壁坍塌风险。套管回拉铺管法是在井管外加装一根直径比过滤管直径大一级、长度与过滤管等长的钢质加固套管。安装方法是在地面连接好井管管柱并将其装入到加固套管内,再把整个组件拉入钻孔内。当井管组件处于合适位置时,再拉出加固套管。这种方法有很多益处:第一,因拉应力是加在加固套管上而非井管管材上,故井管管材不会遭到破坏;第二,钢质套管外表面光滑,能够大大降低回拉摩阻力;第三,因为有加固套管的保护,过滤管的外表面不会受到地层的阻碍或损害,过滤管的过滤层不会严重堵塞,从而降低了洗井难度。

2.5填砾

与垂直井不同,水平水井钻孔弯曲,采用垂直重力方法填砾很难填到位,容易发生架桥甚至堵塞。为避免填砾困难,课题组研制出适合水平水井用的全塑贴砾过滤器,铺管同时将砾料围填到位。

全塑贴砾过滤器是用合成树脂将一定粒径的塑料滤料粘到具有一定孔隙率的塑料衬管上,形成具有良好过水、挡砂能力的过滤器(图6)。课题组经过大量试验测试,取得的全塑贴砾过滤器测试结果如下:全塑贴砾过滤器试样当贴砾粒径为3～5mm 时,过滤器平均孔隙率为31.38%,常温下渗透系数为3.727×10-1,抗剪强度为0.38M Pa,抗压强度为6.0M Pa,抗弯强度为3.74M Pa,过滤器性能测试见图7。测试结果表明,全塑贴砾过滤器的各项性能指标均能满足水平水井成井的需要。

与常规水井过滤器相比,全塑贴砾过滤器具有如下优点:①适用范围广,过滤器整体采用塑料材料,重量轻,有较高的抗拉、抗弯和抗压强度,不仅适用于水平水井,而且还可用于垂直井和水井修复;②成井质量高,由于贴砾过滤器是采用人工的方法将滤料预先贴于骨架过滤管上,下管时滤料随井管准确下至目标含水层位,避免了填砾不到位现象的发生,能保证在含水层形成良好的人工过滤层;③洗井质量好,用贴砾过滤器成井,贴砾过滤器与井壁间的环状间隙不应填任何充填物,洗井过程中只要井管内外有一定的水位差,泥皮就容易垮塌,而采用填砾成井时,由于井壁与滤水管之间的环状间隙被滤料填满,滤料对井壁的泥皮起到了保护和支撑作用,洗

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第1期　　　　　　李小杰等:导向钻进铺管技术在浅层低渗透性含水层地下水开采中的应用　　　　　　　　　　井时泥皮不易受破坏;④取消了填砾工序,成井效率高;⑤减小了钻孔直径,提高了钻进效率,节约了钻进成本。

2.8洗井

水平水井洗井的目的在于清除井壁泥皮,并把深入到含水层中的泥浆抽吸出来,恢复了含水层的孔隙,进而抽出含水层中的一部分细颗粒,扩大了含水层的孔隙从而形成一个新过滤层。通过深入调查研究,认为水平水井可采用以下3种方法洗井:

(1)超压洗井　超压洗井靠水力压力清除泥浆和地层细料。实施时,先把双面井的一端封死,之后从另一端向井内灌注高压水。在这项工艺中,采用隔膜泵提供脉冲水,利用水力击荡破坏泥皮。超压洗井适用于含水层为砂性土层且过滤管长度较短的水平水井。

(2)喷射洗井　喷射洗井(图8)利用喷嘴向井壁喷射高压水来达到洗井目的。实施时,先将专用喷嘴与钻杆或专用喷管连接,然后将钻杆或专用喷管送入井中,打开水泵喷射,边喷边顺序移动钻杆。一般,喷射洗井需在井内来回洗多个回次。喷射洗井适用于过滤管长度较长的水平水井。

(3)封隔洗井　封隔洗井利用气动封隔器隔离

图8　喷射洗井

Fig.8　Jetting and flushing 部分过滤管,逐段洗井。这种方法可以将洗井能量集中到相对小的过滤管,因此洗井效果好。操作时,将一组气动封隔器连同喷管同时送入井中,到达预定位置后给前后气动封隔器充气,然后开动喷射或抽吸设备洗井。该段洗好后,再进入下一段洗井,如此重复,直至洗井完毕。这种工艺十分有效,但需要专用设备,洗井费用较高。

3　结论及建议

(1)对导向钻进铺管技术在浅层低渗透性含水层地下水开采中的工艺进行了系统研究,为浅层低渗透性含水层地下水的开采提供了一种新方法。

(2)研制出了适合水平水井施工的过滤器,选择出了相适应的钻进方法和成井工艺,已具备了水平水井施工所必需的条件。通过研究认为,利用导向钻进铺管技术施工水平水井来开采浅层低渗透性含水层地下水是切实可行的。

(3)仅从理论上研究了导向钻进铺管技术在浅层低渗透性含水层地下水开采中的应用,国内尚未进行过施工示范。建议加强试验与示范研究。

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(Center f or H y d rogeolog y an d Envi ronment al Geolog y,CGS,B aodi ng Hebei071051,Chi na)

Abstract:The horizontal water well is effective for shallow least permeable aquifer groundwater ext rac2 tion.The p rocedures for t he construction include well drilling,bore hole reaming,well forming,gravel packing,and well develop ment.This paper discusses t he application of horizontal directional drilling tech2 nology in shallow least permeable aquifer groundwater ext raction.A p re2packed well screen is developed and a proper well drilling met hod is p ropo sed for t he const ruction of horizontal wells.This provides a new way for shallow least permeable aquifer groundwater ext raction.

K ey w ords:horizontal directional drilling;least permeable aquifer;groundwater;horizontal water well 221　地质科技情报　2009年下载本文