汪 栋

(山西省地质勘查局217地质队，山西大同 037008)

0 引言

位于太原市清徐县平泉的自流井群，单井自流量高达22000 t/d，水头高9 m，由于在勘探开发过程中，对其石炭纪水质的腐蚀作用认识不足，所以止水套管材质及采用的止水方法等均未作严格要求，故在水井使用多年后，井管被腐蚀烂坏，奥陶纪岩溶水大量补给石炭纪及第四纪地层，待石炭系和第四系饱和后即四处溢泛，造成了沼泽盐碱化的严重后果，本文根据治理的施工效果，介绍了一套综合治理这些自流井群的钻探施工工艺。

1 治理区概况

1.1 水文地质背景

所治理的自流井区位于山西省太原市清徐县平泉村，属晋中新生代断陷盆地北段西北边缘。盆地西陡东缓。井群处于晋祠—交城边山大断层上，该断层在清徐县境内全长15.5 km，走向80°，过平泉向东呈弧形转为50°向北延伸，断裂带宽100余米。这一边山断裂带对隐伏岩溶水的富集和运移起着决定性的控制作用。

该区上石炭统富水性较不均匀，在边山断裂带附近埋深较浅(20 m～40 m)，有由层间岩溶水补给的泉水自洪积层中溢出，如平泉、西梁泉等地原有流量5 L/s～20 L/s的泉水流出，两村因此得名。

山前断裂带附近富水性较强，可能与奥陶系高水头岩溶水的越流补给有关。水质由于岩层破碎程度较高，承压水与煤层中的裂隙水混合，硫化氢含量较高，矿化度1.7 g/L～2 g/L，水化学类型为SO4-Ca·Mg型水。

1.2 治理工程的提出及意义

多年来，地勘队伍在清徐县西边山地区进行水文地质勘探，先后在该区施工水井数眼，由于当时对该区水质的腐蚀作用认识不足，开发时对井管的材质和止水工作未作严格要求，故在使用多年后，因石炭系水中硫化物含量较高，将井管蚀透，同时，止水工艺也不过关，时间一长，止水管便被石炭系水蚀坏，加之该区受断裂带的影响，裂隙比较发育，使奥陶系水源大量补给石炭系，待第四纪和石炭纪地层饱和后随四处溢泛，这样，不仅使大量的奥陶纪水资源得不到利用，而且对地下水资源造成人为的污染，使得平泉以东广大农田盐碱化，导致了边山一带多处小煤窑无法继续开采(因大水漫灌，无法排走)。同时，还严重影响全国重点文物保护区晋祠泉水的流量，使由原来1.7 m3/s～1.8 m3/s降至现在的 0.1 m3/s～0.2 m3/s，很多名泉干枯了。

2 治理施工

首先治理自流井群中难度最大，最特殊的是6号井，该井治理好了，其他井孔都可较顺利而有效的得到治理。

2.1 平泉6号井简介

该井原孔深为156.52 m，揭穿奥陶系29.81 m，0 m ～23 m 为第四纪地层。下入直径325 mm的螺管23.41 m，以下孔段则为裸眼，直径220 mm。该井在O2S地层以上有岩溶裂隙发育的石炭纪地层4层，总厚度32 m左右(含断裂带)，该井打成后自流量达22000 t/d。现该井井管已被腐烂，基台基本都已塌完。经测量为一南北约13 m，东西约8 m长的沼泽水坑，边沿部分深2 m～3 m，中间最深部位约8 m，井口已被垮塌的井台水泥石块等杂物覆盖，而且涌出的水时混时清，周围民房已有裂隙，要在此基础上建井台和寻找原井位都是十分困难的。

2.2 井台的建筑及安装

2.2.1 地基的处理

填石料和砂袋:使用离心式排水泵将坑内的水排出一部分，边排水的同时将石料和砂袋混合投在离井位以2.5 m为半径的四周，共用去石料约40 m3，草砂袋50袋。为防止石料及砂袋向井口位置塌落，沿井四周用50 mm钻杆作为竖桩打了10根，最长(最深)的约为20 m，最短(最浅)的有4 m，这样，用石料和砂袋将井口四周砌平后就可安放基台木进行打基桩建井台了。

打基桩:在砌好的地基上架上基台木，将沼泽区内塌下去的水泥、石块等硬杂物用抓斗打捞上一些，在基台上安装三角架及小绞车，用冲击吊锤将8根146 mm的套管作为基桩分别打入沼泽区内至基岩面，基桩间距为2 m，呈六角形，桩与桩之间用20b型号规格的工字梁和20号槽钢以及50 mm钻杆联接，平拉及斜拉成整体。为避免结构架整体的晃动，在其四周用8根(一边2根)168 mm套管顶稳。

2.2.2 钻探设备的安装

在所建好的结构架整体上，用20 mm×20 mm的基台木和台板搭平，固定牢固后即可安装施工设备。钻塔为SG23型塔，这种塔天车位移方式，还可建二层平台，便于施工。钻机开始选用了比较轻便的XU-1000型，可前后移动，且自带有小型高速柴油机。后又换为易于操作的SPJ-300型钻机，电动驱动，配有160 kW的发电机组。

2.3 施工中井台的加固

在钻进扫孔过程中，由于原孔被疏通，自流量显著增大，使得原残留的部分井台又塌了下去，造成井架基础强度和稳定性减弱，故又将地基铁梁加长至牢固的地面上，同时将地梁与钻塔交叉焊接起来，增强了结构整体的刚性和稳定性。

2.4 扫孔技术

反循环钻进沉箱法扫孔:在初步确定好的原井位置下入1500 mm的护孔管8 m(坐稳)。开始扫孔时采用了1020 mm的组合式泵吸反循环牙轮钻头，但由于护孔管直径较大，扫孔时达不到钻头与井管同步下沉的目的，故后又下入一套1150 mm的套管，这样，很顺利地钻进下沉至22 m处，估计已达到了基岩面。

引导法钻进扫孔:根据分析可知，原孔内充填物的强度不会高于基岩孔壁，因此，引导法钻进扫孔采用了比原孔直径小2级～3级的加重钻具，加大泵量，轻压慢转上下反复提动钻具，扫孔至26 m处下入426 mm套管。继续扫孔至约40 m时，井内几乎不自流了，经观察发现护孔管底部漏砂将井堵死，故又下入273 mm套管29.78，然后又继续扫孔，在钻进过程中发现273 mm套管自动下跑到36 m处。当扫孔至孔深60 m时，自流量突然显著增大，水头高达9 m，钻具自动下跑至90 m以下再无阻力，证明已经找到原孔。

2.5 止水工艺及封孔

止水器的选用:所选用的止水器具为压缩胶球止水器，这种止水器具的优点是能克服自流井的压力而准确地下到止水位置，并且可以根据需要，待灌注完水泥浆后，止水器易取出再重复使用，使用这种止水器曾成功地解决了许多高压自流井的止水问题。

该止水器下端由三四个高约250 mm的耐磨性好，弹力强的胶球组成，其结构为:在胶球上下两端各有一个压力盘，下压盘固定在止水导杆上，上压盘置于胶球串之上，为使其转动灵活，在该盘与锁母之间装置一压力轴承，锁母上开有两个槽以便紧固，止水导杆上部有正扣并与正丝钻杆(56 mm绳索取心钻杆)联至井口，在钻杆外下入89 mm反丝钻杆作为加压扭紧外管，止水时，先将止水器下到止水位置，用自由钳将钻杆背好，再旋转扭紧外管，使其拨杆进入锁母槽内，待上下压盘压缩胶球傅使其横向变形紧贴孔壁后，反出扭紧外管及钻杆(在止水导杆与钻杆联接处有一易反装置)，即可进行下一步的工作。

第一套止水器的下入及效果:止水器下到预定位置(石炭系与奥陶系的交界面133 m以下134 m处)后扭紧加压完毕，提升钻具和向下都不移动，则证明止水胶球已夹紧孔壁。按照常规，此时钻孔自流水应被堵住，但实际钻孔仍有部分自流水涌出，约有原自流量的1/2。因此，松开止水器连续在几个上下位置进行了封堵，效果仍然如前。提出止水器检查其性能也无故障。经分析认为，在此钻孔中，虽然奥陶纪水被堵死，但石炭纪裂隙发育好，有断层，仍有较大的自流涌水量。当向孔内投入包有钢粒的袋子及一些水泥石块等物时，虽有部分落入井底，但大多数仍悬浮在涌水口(有压力)，因此，继续投石料及灌水泥浆是不行的。

第二套止水器的下入及效果:为增加止水封堵效果，在孔深122 m处较完整的砂岩段下入了第二套止水器(3个胶球)，但井的自流量仍无明显的减少，认为孔深122 m～134 m段是不含水的完整砂岩组，若前一个止水器效果有问题，则第二套止水器下入后井自流量应有明显的变化。因此，可进一步说明，石炭纪地层的涌水量也是很大的，经测其涌水量约有3000 m3/d。

2.6 对奥陶系以上地层的灌浆封孔

该井石炭纪地层的涌水量是很大的，而且有一定的水头高度。因此，采用了加高井管灌注水泥砂浆的办法对此孔段进行了处理，加高井管高出地表约9 m，达钻塔二层平台，操作的关键是要掌握好水泥砂浆的水灰比和砂石的用量，以及需进行分段灌注以确保灌注质量。

该井灌浆所用水泥为525号的硫铝酸盐超早强水泥，选用的水泥水灰比为0.4～0.5，共分4次灌入，总用量约20 t(平均每次5 t)，用砂量约2.8 m3，灌浆结束后待其凝固，割去加高管，井管内无水涌出，经检测达到了止水要求。

3 井孔治理的质量检查

1)采取不同的封堵施工方案处理旧井，必须在原井孔中进行，不能偏离原孔。

2)要求扫除或取出旧井全部井管，为防止上部松散层塌孔，可在松散层至基岩顶面上护孔管后，方可进行临时止水。

3)要求止水层位在奥陶系峰峰组顶面，先采取临时止水措施(如胶球止水)，阻止奥陶纪灰岩岩溶水涌出。

4)临时止水要作效果检查。以孔口不自流和孔内水位明显下降视为止水效果较好。为验证井底奥陶纪灰岩水顶板越流情况，应用扩散或井下流速仪(按孔径选择)作一次测井，当扩散速度缓慢或井底流速微弱，不会影响注入水泥的效果时，方可认为止水合格，否则应重新进行止水。

5)临时止水合格后，向孔内灌注水泥作永久性止水。为此:a.使用防酸水泥，如硫铝酸水泥等，水泥标号应为425号以上，水灰比1∶0.4为宜，并加入扩散剂等;b.注浆应从孔底向上返，直至孔口;c.留水泥样品，待凝固后测定其样品强度;d.封孔深度由奥陶系峰峰组顶面至孔口全部封死;e.永久性灌注水泥浆止水后，要用1500型浅震仪作探伤检验，若发现空洞，应打钻补浆。

6)永久性止水效果检验。a.止水前孔隙水水位、水温、水化学类型与止水后比较应有明显差别，但应和附近的孔隙水位、水温趋于一致。如此则认为上段止水合格，否则属不合格应重新止水;b.止水后与止水前比较，石炭系地下水位、水温、水质和自流水量，有较明显的变化，则认为止水合格，否则不合格;c.特殊情况下，采取各种手段、确系无法达到峰顶面以上止水时，也必须封在基岩面以下，确保岩溶水不和第四系水串通;d.封堵旧孔竣工后，平泉1985年前打的浅井应不冒水。

4 结语

太原平泉自流井群溢泛区的施工治理是一项兴利除弊、造福子孙后代的百年大计，其治理施工是有相当难度的。文中所述平泉6号井的施工治理，虽然在止水成功后已表明，晋祠泉水水量有明显增加，但其施工工艺毕竟是“一孔之见”，在具体施工中必须还有很多技术难题有待研究解决。