王建宏

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

傳統(tǒng)監(jiān)測井主要有單孔監(jiān)測井和單孔叢式監(jiān)測井，一眼井只能對含水層中的某一層次進(jìn)行監(jiān)測，而多層監(jiān)測主要通過井組實(shí)現(xiàn)，對區(qū)域內(nèi)不同的層位進(jìn)行監(jiān)測時(shí)需要建立大量監(jiān)測井，并且需要根據(jù)監(jiān)測目的，在不同位置建立單孔井，該技術(shù)的建造成本較高且占地面積較大，由此增加了監(jiān)測成本及后期管理費(fèi)用[1～3]。國外一些學(xué)者提出單孔多層監(jiān)測的技術(shù)，比如Waterloo多層監(jiān)測、CMT監(jiān)測、Westbay多層監(jiān)測等技術(shù)。而本文主要分析CMT監(jiān)測技術(shù)及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用[4]。

1 單孔多層監(jiān)測技術(shù)CMT監(jiān)測井的技術(shù)原理

1.1 CMT監(jiān)測井井管

以國外Solinst公司的CMT地下水監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，與國內(nèi)當(dāng)前水文鉆探的設(shè)備和工藝以及地下水監(jiān)測儀器等相結(jié)合，研發(fā)出Φ70、Φ105 型的CMT監(jiān)測井井管，還有其它的配套部件，為國內(nèi)應(yīng)用CMT監(jiān)測井技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

CMT監(jiān)測井所使用的井管均是由HDPE（高密度的聚乙烯）進(jìn)行加工制作而成，經(jīng)過擠出機(jī)一次性擠壓成型，井管主要有7 個通道，并且中間無需接頭，特別環(huán)保[5]。

1.2 止水材料

多層監(jiān)測井的止水要求高，由于環(huán)狀的間隙較小，所以需要運(yùn)用水化時(shí)間比較長，且顆粒小、膨脹高，以及對水質(zhì)造成的影響較小的止水材料。當(dāng)前新型的止水材料則多以膨潤土作為原材料，并經(jīng)過制球機(jī)進(jìn)行加工而成，其粒徑大約在15 mm左右，水化時(shí)間長，膨脹高，對水質(zhì)不會造成任何污染，能夠適用于間隙小且止水標(biāo)準(zhǔn)高的監(jiān)測井，其參數(shù)見表1。

表1 止水材料的參數(shù)

1.3 CMT監(jiān)測井的分層技術(shù)原理

CMT監(jiān)測井具體的分層技術(shù)原理見圖1。在監(jiān)測管內(nèi)，通過隔塞形成7 個通道，而定位的標(biāo)準(zhǔn)線位于1 號通道中，然后以順時(shí)針方向進(jìn)行編號，中間是7 號通道，用來監(jiān)測最深層的地下水。依據(jù)測井曲線及施工設(shè)計(jì)方案，確定監(jiān)測窗口位置，對應(yīng)通道之上進(jìn)行加工監(jiān)測的窗口，窗口下部用膠堵塞，外部用不銹鋼濾網(wǎng)包裹，利用卡箍進(jìn)行固定[6]。監(jiān)測窗口加工完成后開始下管，依據(jù)含水層的監(jiān)測劃分，通過圍填礫料和黏土球?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測井的分層。

圖1 CMT監(jiān)測井分層技術(shù)原理圖

2 CMT工程實(shí)際應(yīng)用

2.1 工程概況

該項(xiàng)目位于國內(nèi)第二大的內(nèi)陸河，主要為城市的工業(yè)和生活用水提供水源。依據(jù)相應(yīng)的分水計(jì)劃，近幾年內(nèi)向河道排水，對干流地表水和地下水交換產(chǎn)生影響。為探討地下水位對于放水過程的響應(yīng)情況，本次在干流的兩岸建立3 個CMT監(jiān)測點(diǎn)：D3，位于左岸，且井深為90 m；D4、D5，井深為60 m，呈東北向45°并垂直于河道上，離河道的距離分別為3.5 km、2.0 km。

2.2 CMT監(jiān)測井的成井過程

2.2.1 選擇材料

CMT多層監(jiān)測井的管道材料主要是高密度的聚乙烯，通過連續(xù)擠壓產(chǎn)生7 個通道，井管長度可以達(dá)到30 m、60 m、90 m，見圖2。井管的材料耐腐蝕、強(qiáng)度高，井管間無需接頭，可以盤成圓盤形狀（見圖2），利于運(yùn)輸。

圖2 CMT井管的材料

圖2右邊為CMT多層監(jiān)測井的井帽。依據(jù)CMT多層監(jiān)測井的通道數(shù)，因此井帽有7 個通道，分別編號，外周為1～6，中間為7，7 通道是監(jiān)測最深層的通道。

止水材料選用鈉基或鈣基膨潤土，不添加其它添加劑，用制球機(jī)將膨潤土加工為橢球型，粒徑大約控制在15 mm。該材料水化時(shí)間長、高膨脹，不會造成水質(zhì)污染，適用于間隙小且止水標(biāo)準(zhǔn)高的監(jiān)測井。

2.2.2 成井的工藝

CMT多層監(jiān)測井成井工藝見圖3。在監(jiān)測井成井施工中，下管的工藝和填礫以及止水和洗井等環(huán)節(jié)特別的重要，其對CMT監(jiān)測井施工的成功與否具有重要的影響[7]。

圖3 CMT監(jiān)測井成井的工藝流程圖

1）成井下管的過程和注意措施

在下管施工時(shí)，應(yīng)將盤狀的井管拉直，降低井管彎曲的程度。根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)設(shè)計(jì)深度，在相應(yīng)位置打孔，孔徑10 mm，并形成1 m左右的濾水管，外部包裹2 層不銹鋼濾網(wǎng)，用不銹鋼的卡箍固定。

井管在下管時(shí)，需要面臨井中出現(xiàn)的較大浮力。主要體現(xiàn)在以下幾個方面，解決措施如：

①沖孔換漿。對井孔沖孔換漿降低泥漿密度，降低井管產(chǎn)生的浮力，調(diào)整泥漿的粘度為20 s～22 s，密度則保持在 1.1 g/cm3～1.15 g/cm3最佳。

②安裝重錘。將重錘加裝在井管底部，抵消井管部分浮力，還可扶正導(dǎo)向。

③布設(shè)進(jìn)水孔。在第7 通道和第6 通道之間監(jiān)測窗口安裝止水段，并設(shè)立進(jìn)水孔，使下管過程中泥漿可以順暢進(jìn)入管內(nèi)，并將通道內(nèi)氣體排出，提高井管質(zhì)量，降低井管承受的浮力。

④利用監(jiān)測窗口排氣。在下管施工前，井管上所有通道監(jiān)測口先不安裝止水橡膠塞，待井管監(jiān)測窗口下放至距孔口上部液面1 m位置處，再安裝監(jiān)測窗口止水橡膠塞。該方法可將密封段的空氣排出，降低井管承受的浮力，避免通道間出現(xiàn)串層。

⑤注水排氣。井管到達(dá)較深位置時(shí)，內(nèi)部存在殘留空氣，使井管內(nèi)浮力增大，影響下管。通過往監(jiān)測井管的所有通道中注水，可以清除管內(nèi)殘存空氣，降低井管浮力。

2）分層填礫和止水施工

CMT監(jiān)測井最重要的施工環(huán)節(jié)為分層填礫和止水，是連續(xù)多通道多層監(jiān)測井最終成井的關(guān)鍵，施工步驟如下：

①首先計(jì)算分層填礫和止水材料用量。依據(jù)監(jiān)測井成井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定每層礫料以及粘土球填筑的高度，計(jì)算每層需要礫料及粘土球的使用量，用容器量取并填進(jìn)井內(nèi)。

②填礫料和止水。由于井管和孔壁間各個環(huán)狀孔間隙過小，填礫與止水難度較大，因此對回填速度應(yīng)當(dāng)加以控制，避免出現(xiàn)“架橋”的現(xiàn)象。具體填料的方法為，使用15 L～20 L容量的塑料桶，將料裝入桶內(nèi)，并逐桶進(jìn)行回填，回填速度控制在50 L/min～80 L/min之間。圍填達(dá)到一定高度時(shí)，可以提高回填速度，但要依據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況而定。

③測量回填高度。在對井管回填時(shí)，要及時(shí)利用測繩測量填料高度，對比填料實(shí)際用量和設(shè)計(jì)用量，判斷井孔中是否出現(xiàn)縮徑和超徑，根據(jù)最終結(jié)果對下一層填料數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，對回填的高度做到精準(zhǔn)控制。

④換漿。填礫和止水的施工，受粘土球的水化和礫料中細(xì)小顆粒影響，泥漿粘度以及密度不斷變化，當(dāng)泥漿的粘度大于25 s，且密度小于1.3 g/cm3時(shí)，立即停止填礫施工，并換漿，待泥漿性能滿足要求后，再開始后續(xù)的填礫和止水施工。

3）洗井

和一般的監(jiān)測井相比，CMT監(jiān)測井的通道管徑較小，所以洗井有一定難度[8]。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，使用空壓機(jī)噴射和自吸泵注水相結(jié)合的方法進(jìn)行洗井，效果較好。在選擇空壓機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)井深確定空壓機(jī)和參數(shù)。洗井時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意下列問題：

①當(dāng)CMT監(jiān)測井的單層含水層，出水量較多且具有足夠沉沒比，使用空壓機(jī)振蕩進(jìn)行洗井。

②當(dāng)CMT監(jiān)測井的單層含水層，出水量較少且不具備足夠的沉沒比，使用自吸泵注水和空壓機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行洗井。

③在利用空壓機(jī)進(jìn)行洗井時(shí)，須要對壓力以及風(fēng)量進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)量較大時(shí)，較容易把風(fēng)管吹出；而風(fēng)量較小時(shí)則洗井效果不佳。

3 地下水多層監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖4 和圖5 表示CMT監(jiān)測井D4 和D5 的實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

由圖4、圖5 可知，D4 孔與河流距離比較遠(yuǎn)，地下水深度較深；而D5 孔則距離河流較近，地下水深度淺，在不同的層位規(guī)律一致。從垂直方向來看，D4 孔的通道監(jiān)測則由淺至深，第2 通道是最上面的通道，而第7 通道是中間的通道，監(jiān)測的層位達(dá)到最深，水位埋深動態(tài)變化規(guī)律一致，各層間的地下水動態(tài)相互響應(yīng)，無滯后情況；而D5孔的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣說明該規(guī)律。

圖4 D4監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

圖5 D5監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

4 結(jié)語

通過工程的實(shí)際應(yīng)用，對CMT監(jiān)測井技術(shù)的下管、分層填礫、止水、洗井、成井工藝及相關(guān)注意措施進(jìn)行介紹。實(shí)踐表明，監(jiān)測井在垂直方向，地下水動態(tài)受不同深度影響產(chǎn)生相互響應(yīng)的規(guī)律。

CMT監(jiān)測井技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)多層監(jiān)測井的一些缺陷，且DMT監(jiān)測技術(shù)成井較為方便，止水性能高，與Westbay多層監(jiān)測井相比，成本較低；與孔組多層監(jiān)測技術(shù)相比，占地面積小，監(jiān)測成本較低，且利用后期的維護(hù)。CMT單孔多層監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)具有較高的應(yīng)用前景。