楊忠彥，賈 志，朱 挺，張芬娜

(天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250)

0 引言

天津市地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作已有20多年的歷史，縱觀多年的地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，主要有以下特點(diǎn):地?zé)峋粩?shù)據(jù)主要通過(guò)人工監(jiān)測(cè)來(lái)獲得，自動(dòng)化程度低，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高;大多數(shù)地?zé)峋谘b置和供熱站泵房極不規(guī)范，各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)施和計(jì)量設(shè)備不標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)管腐蝕嚴(yán)重，使用壽命較短，影響數(shù)據(jù)的獲取，給目前還只能通過(guò)人工觀測(cè)方法來(lái)獲得水位數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)較大困難;地?zé)峋毡榇嬖诰诶匣o(wú)測(cè)管或測(cè)管堵塞，監(jiān)測(cè)設(shè)施無(wú)法改造或改造難度較大等問(wèn)題［1］。這些問(wèn)題的存在均給動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)分析研究帶來(lái)了一定困難和復(fù)雜性。盡管對(duì)測(cè)管系統(tǒng)已進(jìn)行了很多研究和開(kāi)發(fā)［2－4］，但整體不盡如人意。筆者通過(guò)多年不斷的實(shí)踐摸索，針對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)管系統(tǒng)進(jìn)行了改良，自行研發(fā)設(shè)計(jì)了一套新型的“套管外水位測(cè)管系統(tǒng)”，并在天津市武清區(qū)一眼地?zé)峋邪惭b使用。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，完全可以解決上述水位監(jiān)測(cè)中遇到的問(wèn)題，保證了水位數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和提高了水平數(shù)據(jù)采集的效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)一套有利于下入水位觀測(cè)儀器工具完成水位監(jiān)測(cè)工作，能為一些科研工作提供支持手段的觀測(cè)管系統(tǒng)，應(yīng)遵循以下原則［5］。

(1)測(cè)管系統(tǒng)盡可能不改變?cè)@井工藝的主要參數(shù)，如鉆孔直徑等，不能給施工帶來(lái)不可接受的困難與風(fēng)險(xiǎn)。

(2)安裝測(cè)管系統(tǒng)不影響地?zé)峋坠芨黜?xiàng)性能，包括抗內(nèi)壓、外擠等。測(cè)管系統(tǒng)主要部件應(yīng)進(jìn)行地面試驗(yàn)，獲得可行性數(shù)據(jù)。

(3)該系統(tǒng)既屬于整個(gè)成井結(jié)構(gòu)的一部分，又要具有最大程度的獨(dú)立性，在使用過(guò)程中，其功能的喪失或結(jié)構(gòu)的損壞不能影響地?zé)峋恼Ｊ褂霉δ堋?/p>

(4)安裝便利、經(jīng)濟(jì)耐用。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

2．1 設(shè)計(jì)思路

改變傳統(tǒng)的水位測(cè)量思路，從成井工藝入手，在成井過(guò)程中加裝測(cè)管系統(tǒng)，在地?zé)峋慕Y(jié)構(gòu)上附加一個(gè)測(cè)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2．2 設(shè)計(jì)原理

連通器原理，通過(guò)測(cè)量測(cè)管的水位值來(lái)反映地?zé)峋畠?nèi)水位情況，以此數(shù)據(jù)作為該井的水位參數(shù)，滿(mǎn)足管理和科研工作的需要。

2．3 系統(tǒng)的組成

地?zé)峋芡鉁y(cè)管系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)主要包括以下幾個(gè)組成部分:(1)測(cè)管及連接接頭;(2)測(cè)管固定器;(3)測(cè)管連接底座。其中測(cè)管連接底座是測(cè)管系統(tǒng)與地?zé)峋B通的重要部件。

圖1 地?zé)峋芡庥^測(cè)管系統(tǒng)示意圖

2．4 各部件設(shè)計(jì)與加工制作

2．4．1 總體要求

(1)測(cè)管材料要具有良好的抗擠、抗拉強(qiáng)度，較高的抗腐蝕性能和較好的經(jīng)濟(jì)性。

(2)測(cè)管系統(tǒng)抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)要求不少于10 MPa，且能夠滿(mǎn)足地?zé)峋^續(xù)鉆進(jìn)成井的需要。

2．4．2 系統(tǒng)各部件設(shè)計(jì)與加工

從整個(gè)系統(tǒng)的組成來(lái)看，底座部分的徑向尺寸是整個(gè)系統(tǒng)的最大尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)原則，其不能超過(guò)鉆孔的直徑。

測(cè)管的主要參數(shù)包括測(cè)管外徑、內(nèi)徑以及壁厚，由下入的測(cè)量?jī)x器工具外徑以及測(cè)管應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度決定，在滿(mǎn)足鉆孔直徑要求的基礎(chǔ)上，測(cè)管直徑應(yīng)盡量做到最大。

通過(guò)計(jì)算，測(cè)管主體采用外徑42 mm、壁厚6 mm的無(wú)縫鋼管，兩端與測(cè)管接頭絲扣連接;外涂防銹，其內(nèi)徑30 mm，可以滿(mǎn)足水位測(cè)量?jī)x器的順利下入。圖2為測(cè)管底座結(jié)構(gòu)圖，圖3為其實(shí)物圖。

3 測(cè)試與分析

3．1 測(cè)管系統(tǒng)抗內(nèi)壓性能地面試驗(yàn)

(1)采用高壓旋噴樁的注漿泵作為此次試驗(yàn)用泵。

(2)從已加工完成的測(cè)管中隨機(jī)選取5根測(cè)管和公母扣接頭連接后，測(cè)管尾部接放壓閥，通過(guò)鉆井泵操控管內(nèi)壓力。全部準(zhǔn)備就緒后，開(kāi)泵進(jìn)行測(cè)試。

圖4 測(cè)管固定器

(3)管路試壓為17 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壓力 ＞10 MPa的要求。

3．2 試驗(yàn)井測(cè)管安裝

3．2．1 試驗(yàn)井鉆孔施工要求

(1)非特殊情況，不改變常規(guī)鉆井工藝，按照天津市《中低溫地?zé)徙@探技術(shù)規(guī)程》(DB12/T 541—2014)［6］，地?zé)峋_(kāi)孔直徑444.5 mm，套管下入深度400 m;

(2)采用塔式鉆具組合，原則上使用三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)中要保證鉆孔的垂直度，井斜應(yīng)每100 m 嚴(yán)格控制在 1°以?xún)?nèi)［7］;

(3)采用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)即可，但要保證性能良好;

(4)加裝測(cè)管后整個(gè)系統(tǒng)的最大徑向?qū)挾葹?34 mm，且為偏心結(jié)構(gòu)，為了順利下井到位，要求下管前應(yīng)至少通井2次，保證井壁規(guī)整，井底干凈;

(5)由于安裝測(cè)管會(huì)延長(zhǎng)下管時(shí)間，因此下管前應(yīng)調(diào)整鉆井液性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，保證下管順利。

3．2．2 測(cè)管系統(tǒng)安裝要求

(1)下管前，每根套管、觀測(cè)管要用鋼卷尺進(jìn)行準(zhǔn)確丈量，并編號(hào)、記錄;

(2)下表層套管工作按現(xiàn)行地?zé)峋@井工藝執(zhí)行，在設(shè)計(jì)位置連接測(cè)管底座，之后測(cè)管與表層套管一起下入;

(3)嚴(yán)格按編號(hào)入井，各連接部位用生膠帶密封;

(4)測(cè)管絲扣管鉗上緊，每根測(cè)管安裝一只卡環(huán)，卡環(huán)應(yīng)緊固牢固，不能松動(dòng);

(5)必須保證測(cè)管垂直;

(6)下完測(cè)管，測(cè)管出露地面1 m，安上絲堵;

(7)完成后常規(guī)固井，必須保證固井質(zhì)量，水泥漿必須上返出地面。

3．2．3 測(cè)管系統(tǒng)的安裝

(1)下測(cè)管前，首先對(duì)套管及測(cè)管進(jìn)行丈量和編號(hào)。

(2)為了易于安裝，節(jié)省下管時(shí)間，原設(shè)計(jì)中固定器使用折頁(yè)連接，但在現(xiàn)場(chǎng)下管前的組裝測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，折頁(yè)強(qiáng)度不夠，易損毀，隨即馬上進(jìn)行了設(shè)計(jì)更改，加固焊接處理，以保證下管的安全。

(3)表層套管下至井深207.73 m時(shí)，按設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)深度200 m)下入測(cè)管連接底座，并用絲扣連接測(cè)管(見(jiàn)圖5)。

圖5 絲扣連接測(cè)管

(4)按照排管順序逐根下入表層套管和測(cè)管，使用測(cè)管固定器固定，并用螺栓緊固(見(jiàn)圖6)。

圖6 測(cè)管固定器固定套管和測(cè)管

(5)表層套管到底后，測(cè)管露出地面1 m，向測(cè)管內(nèi)灌滿(mǎn)水，然后加裝絲堵(見(jiàn)圖7)。

(6)最后用R32．5礦渣硅酸鹽水泥進(jìn)行固井，水泥漿返至地表，水泥漿密度1.70 g/cm3。

4 降壓試驗(yàn)

4．1 試驗(yàn)情況

圖7 測(cè)管絲堵

在天津市武清區(qū)新近系館陶組選擇了一眼井作為試驗(yàn)井，該井為二開(kāi)直井，一開(kāi)采用444.5 mm三牙輪鉆頭鉆至400 m，下入339.7 mm套管和42 mm測(cè)管，其中套管下入深度0～400 m，測(cè)管下入深度0～207.73 m;二開(kāi)采用311.2 mm三牙輪鉆頭鉆至2180 m，下入244.5 mm套管，套管下入深度367.46～2180 m。從本次施工情況來(lái)看，下入測(cè)管不影響下一步的施工。為了驗(yàn)證測(cè)管內(nèi)水位與井筒內(nèi)水位的關(guān)系，對(duì)該井進(jìn)行了3次不同降深的降壓試驗(yàn)，試驗(yàn)中使用流量140 m3/h，揚(yáng)程180 m的潛水泵抽水，使用三角堰箱觀測(cè)流量，使用電流水位計(jì)觀測(cè)水位(水位測(cè)量采用2條測(cè)線分別測(cè)量井筒內(nèi)水位值和測(cè)管水位值，采集所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行測(cè)線長(zhǎng)度的校正)，水銀溫度計(jì)觀測(cè)水溫及氣溫。各落程持續(xù)時(shí)間分別為2880、580、550 min，穩(wěn)定時(shí)間分別達(dá)到24、8、8 h。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，降壓試驗(yàn)歷時(shí)曲線見(jiàn)圖8。

表1 降壓試驗(yàn)成果

圖8 試驗(yàn)井降壓試驗(yàn)歷時(shí)曲線

4．2 數(shù)據(jù)處理

4．2．1 動(dòng)水位校正

地?zé)峋_(kāi)采期間，尤其是在開(kāi)采初期，井口溫度不是恒定不變的，而是隨著時(shí)間的延續(xù)不斷升高，而水的密度與溫度的變化成反比，造成觀測(cè)水位不能真實(shí)地反映地?zé)峋畬?shí)際水位(熱儲(chǔ)壓力)的變化。此時(shí)，盡管地?zé)峋畠?nèi)水位上升或保持不變，但熱儲(chǔ)壓力卻下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“井筒效應(yīng)”，因此，在資料整理過(guò)程中，需要進(jìn)行溫度統(tǒng)一校正，消除井筒效應(yīng)［8－10］。由于熱的傳導(dǎo)擴(kuò)散特性，地?zé)峋畠?nèi)溫度與深度可認(rèn)為呈線性關(guān)系，則降壓試驗(yàn)校正水位可由公式(1)計(jì)算，根據(jù)井口溫度及溫度損失的經(jīng)驗(yàn)值，此次以降壓試驗(yàn)最高溫度61℃作為統(tǒng)一溫度對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正后曲線見(jiàn)圖9。

式中:h——校正后水位埋深，m;H——取水段中點(diǎn)的埋深(1402.5 m);h1——觀測(cè)水位(試驗(yàn)過(guò)程所取得的全部動(dòng)水位)，m;h0——基點(diǎn)高度(以地面為基點(diǎn)，數(shù)值為 0)，m;ρ平——地?zé)峋畠?nèi)水柱平均密度，kg/m3;ρ高——熱儲(chǔ)層溫度對(duì)應(yīng)密度，kg/m3。

圖9 校正后降壓試驗(yàn)歷時(shí)曲線

4．2．2 分析處理

通過(guò)累計(jì)時(shí)間與降壓試驗(yàn)時(shí)3次降深測(cè)得的井筒內(nèi)校正動(dòng)水位埋深h井筒與測(cè)管內(nèi)校正動(dòng)水位埋深h測(cè)管之差所繪曲線(見(jiàn)圖10)可得出3次降深的穩(wěn)定井筒內(nèi)與測(cè)管內(nèi)水位差值h差，利用h差和出水量Q(見(jiàn)表2)來(lái)作出h差－f(Q)曲線，并進(jìn)行曲線回歸(見(jiàn)圖11)，得出經(jīng)驗(yàn)公式。

圖10 h差歷時(shí)曲線圖

表2 計(jì)算數(shù)據(jù)

圖11 Q－h(huán)差曲線圖

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線回歸，得出經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:h差——井筒內(nèi)校正動(dòng)水位埋深h井筒與測(cè)管內(nèi)校正動(dòng)水位埋深 h測(cè)管之差，m;h井筒——井筒內(nèi)校正動(dòng)水位埋深，m;h測(cè)管——測(cè)管內(nèi)校正動(dòng)水位埋深，m;Q——涌水量，m3/h。

通過(guò)擬合結(jié)果可知，測(cè)管與井筒內(nèi)的水位差只與抽水泵的特性與下入深度有關(guān)，與測(cè)管內(nèi)徑和測(cè)管下入深度無(wú)關(guān)。

5 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

5．1 技術(shù)評(píng)價(jià)

(1)穩(wěn)定性好，測(cè)管不易腐蝕;

(2)測(cè)管的損壞，不影響地?zé)峋氖褂?

(3)不受外界影響，系統(tǒng)具有獨(dú)立性。

5．2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

通過(guò)測(cè)算，安裝一套套管外測(cè)管系統(tǒng)造價(jià)為50000元，在以后的推廣中，考慮采用抗腐蝕更好的材料，會(huì)增加一部分成本，但同時(shí)隨著該系統(tǒng)在應(yīng)用中的逐步成熟，系統(tǒng)安裝費(fèi)用會(huì)大幅下降，且成井后該系統(tǒng)在日常應(yīng)用中幾乎沒(méi)有什么維護(hù)費(fèi)用。

常用的水位測(cè)管是與泵管并列連在一起，且由于地?zé)崴g性強(qiáng)的原因，測(cè)管一般2年需要更換一批，以每口井正常使用150 m泵管計(jì)算，共計(jì)50節(jié)，更換測(cè)管材料及人工等大約100元/節(jié)，每口井一次更換主材費(fèi)用為5000元，那么，按照地?zé)峋畨勖?0年計(jì)算，使用傳統(tǒng)測(cè)管需要的費(fèi)用約為125000元。

通過(guò)2種測(cè)管成本對(duì)比分析看出，套管外測(cè)管系統(tǒng)比傳統(tǒng)測(cè)管節(jié)約成本為75000元，節(jié)省比例為150%。從投入成本上大大降低，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，具有明顯的優(yōu)越性。

6 結(jié)論

(1)應(yīng)用管外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測(cè)水位從理論上是可行的，并在試驗(yàn)中初步得到了驗(yàn)證。

(2)測(cè)管系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，功能的喪失不影響地?zé)峋母鞣N功能。

(3)該系統(tǒng)成本與傳統(tǒng)測(cè)管成本相比有很大幅度的降低，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，推廣應(yīng)用有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

(4)該系統(tǒng)在使用過(guò)程中有著傳統(tǒng)測(cè)管無(wú)法比擬的優(yōu)越性，一方面，液面穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，另一方面，其獨(dú)立的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，不受泵室內(nèi)泵管、測(cè)線的干擾，使得下測(cè)線及儀器非常容易，解決了困擾多年的水位觀測(cè)工作中老大難問(wèn)題，工作效果及質(zhì)量有了很大的提高，應(yīng)該在地?zé)峋_(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣泛推廣使用。

［1］ 趙蘇民，孫寶成，林黎，等．沉積盆地型地?zé)崽锟辈殚_(kāi)發(fā)與利用［M］．北京:地質(zhì)出版社，2013．

［2］ 杜玉生，曾梅香，孫世文，等．淺談井用人工動(dòng)態(tài)觀測(cè)設(shè)施的改良與創(chuàng)新［J］．地下水，2008，30(3):58 －60，65．

［3］ 杜玉生，曾梅香，田光輝，等．優(yōu)化井口裝置發(fā)揮水位測(cè)管的最大效能［J］．地下水，2008，30(5):101 －103．

［4］ 侯智瀚．地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀及對(duì)策探討［J］．山西水利，2013，(9):13 －14．

［5］ 楊忠彥，馬忠平，杜檳，等．中低溫地?zé)峋坠芡馑粶y(cè)管系統(tǒng)研制成果報(bào)告［R］．天津:天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，2014．

［6］ DB12/T 541—2014，中低溫地?zé)徙@探技術(shù)規(guī)程［S］．

［7］ GB/T 11615—2010，地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范［S］．

［8］ 曾梅香，張子亮，劉榮光，等．天津地區(qū)地?zé)釂?對(duì))井資源評(píng)價(jià)技術(shù)要求［Z］．天津:天津市國(guó)土資源和房屋管理局，2014．

［9］ 孟利山．塘沽區(qū)北部古近系東營(yíng)組地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)［D］．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2007．

［10］ 張百鳴．中低溫地?zé)釤醿?chǔ)工程研究［D］．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2006．