北京房山张坊岩溶水井涌砂原因分析与治理（李海军,辛宝东,刘文臣）

摘要：北京张坊水源应急供水工程在施工水井时, 发生涌砂埋井事件。涌砂主要是地层破碎带中含有细砂引起, 确定了破碎带的位置。采用挂管的施工工艺对涌砂部位进行了治理, 在未减少水井出水量的条件下, 实现水清砂净目标。

关健词：水井涌砂 挂管工艺 水清砂净

1 工程概况

作为北京市一项应急供水工程, 张坊水源应急供水工程的水源为双水源, 即拒马河水和岩溶地下水。为实现岩溶地下水的开发, 在张坊地区实施了勘探工程, 其中下寺村施工了眼探采结合并, 井深400m, 井结构为0-10井孔直径为φ650mm,下入φ629mm孔口护壁管;10-100m井孔直径为φ445mm, 下入φ340mm井壁管(70-90m为过滤管);100-250m井孔直径为φ311mm, 下入管径为φ245mm过滤管, 250-400m井孔直径为φ216mm, 未下井管。

水井施工结束之后发现该井涌砂严重, 随后进行了次5洗井, 历时2个多月, 仍不能达到含砂量要求,洗井过程如下

第1次洗井, 偏磷酸钠药液浸泡、压风机、80m3/h潜水泵联合洗井3d, 水井涌砂, 水不清。

第2次洗井, 偏磷酸钠药液浸泡、压风机、80m3/h潜水泵联合洗井3d, 水井涌砂, 水不清, 潜水泵被烧毁。

第3次洗井, 盐酸溶蚀、压风机、260m3/h潜水泵联合洗井3d, 之后该井被沉砂淤埋, 并深仅剩115m,并且将潜水泵烧毁。

第4次洗井, 使用反循环钻具清除沉砂淤埋,进行压风机、125m3潜水泵联合洗井, 5d后井内再次被沉砂淤埋, 井深剩117m, 同时将潜水泵烧毁。

第5次洗井, 清除沉砂淤埋后, 采用压风机、80m3/h潜水泵联合洗井40d, 水井涌砂, 水不清。

2 涌砂原因分析

水井涌砂的颜色为白色, 含有闪光片状矿物, 与盐酸接触后有起泡反应。通过调查周围民用水井发现,当地的供水均不同程度存在含砂问题, 因此这不是一种偶然现象。水井施工的地层是雾迷山组, 岩性主要是白云岩, 已经变质为大理岩。变质过程是一个重结晶过程, 结晶程度较好的形成汉白玉、房山白、二叶青等建筑石材而大部分变质程度较差, 只是重结晶生成了细小的晶粒, 并夹杂着千枚岩成分, 致使结构十分松散, 几乎可以用手碾成粉末, 所以水井涌砂严格讲不是砂, 而是矿物晶体。这种松散结构的岩石在构造运动下很容易破碎成粉细砂状, 因此地层破碎带应当是水井涌砂的主要来源, 同时破碎带也是地下水的集中汇流带, 当水井抽水时, 水流就会携带细砂涌入井中。

3 涌砂位置确定

涌砂位置也就是破碎带位置。如果地层岩性相同、结构完整且各向同性, 那么它所表现出的物理力学性质也是相似的。当有破碎带存在时, 这种均匀性被破坏, 其物理力学性质也相应发生变化, 通过寻找这种异常带, 则可以确定破碎带的位置。

在分析下寺水井的破碎带位置时, 主要依据机感、钻速、岩样分析和物探测井技术。通过分析, 发现钻机震动明显、钻进速度快、岩样不完整、电阻低的位置主要在如下3段:70-90m、100-125m和230-240m, 因此初步确定这3处为破碎带, 细砂可能就是从这3个地方涌出的。因为在抽水时涌砂淤积至井口下115m, 因此判断115m处可能是主要的涌砂段, 应当是重点治理的位置。

4 涌砂治理工艺

水井涌砂治理的难度在于, 既要阻止流砂, 又要保证水量, 而破碎带既是涌砂的位置, 又是水井的主要出水段。考虑到涌砂可能主要发生在70-90m、100-125m2段, 因此决定首先在150m以上进行止水堵砂, 保留150m以下做为出水段。

施工工艺采用挂管技术, 井壁管使用无缝钢管。10-100下入φ273mm管, 封闭70-90m破碎带, 管的顶部加工成直径大于的340mm喇叭口, 以便悬挂于340mm井管顶部;100-150m下入φ178mm管, 封闭100-125m破碎带, 管的顶部加工成直径大于245mm的喇叭口, 以便悬挂于245mm井管顶部。为了保证φ273mm管和φ178mm管接口处紧密连接, 下管时采用了管串的形式, 即把接口处加工一变径管, 两端加工上丝扣, 在下管时通过丝扣实现不同管径之间的连接。

在原井管和新井管间存在33mm的环形间隙, 分别在95-100m和145-150m深位置的井管外缠绕直径20mm的膨胀橡胶,利用膨胀橡胶遇水膨胀的特性, 封闭两套井管之间的缝隙。

5 治理效果

止水止砂工程完成后立即进行了抽水试验, 结果当天即水清砂净, 水质检验完全达到了饮用水标准。在治理前, 静水位埋深21m,水位降深15m, 水井出水量2400m3/d, 单位涌水量为160m3/(d·m);治理后, 静水位埋深24m, 水位降深9m, 水井出水量1612m3/d, 单位涌水量179m3/(d·m) 。因此在涌砂治理后, 单位涌水量没有减少反而有所增加, 但静水位下降了3m。发生这种变化的原因主要是因为水井开采的是多层地下水, 在涌砂治理前, 水井抽出的水主要是上部裂隙破碎带中的水, 含有大量的细砂在涌砂治理后, 上部含砂破碎带被封堵, 水井抽出的主要是下部裂隙中的水, 这一含水带水位比上部低。

由于水井涌砂的原因分析准确、采用的治理工艺合理, 因此在未减少水井出水量的条件下, 实现了井水的水清砂净, 取得了满意的治理效果。

作者简介：李海军（1974-）, 男, 工程师。

来源：《北京水务》2006.2