张磊 陈浩龙 刘炜 陈尧 孙文礼 杨虎

甘肃工业职业技术学院 甘肃 天水 741025

1 引言

藉河阶地浅层地下水蕴藏着巨大的地热能，然而地层岩性及状态决定了在进行地下水源热泵抽、灌井施工过程中极易失稳，井壁坍塌是困扰工程质量和工程进度的一个重要问题，实际上，井壁坍塌是一个力学意义上的平衡稳定性问题[1]。

2 研究区概况

藉河流域属温带轻冰冻中温区，据统计，该流域年平均降水量达551.7m，七、八、九月份降水量占全年降水量的70%。

2.1 钻探工程及地层岩性

根据钻探揭露，藉河河谷地层如下表所示：

表1 藉河河谷阶地地层特征

2.2 地表水

耤河全长85km，流域面积1267km2，多年平均流量4.12m3/s，藉河流域属黄土峁梁沟壑区，水土流失较严重。

2.3 地下水

2.3.1 地下水类型及其特征

总体上，研究区流域地下水主要为第四系松散岩类孔隙水及第三系碎屑岩类孔隙裂隙水两大类。

（1）第四系松散岩类孔隙水

据钻探资料揭露，河谷阶地地下水主要赋存类型为潜水。含水层为第四纪冲积相（Q4al+pl）圆砾、砂卵石层。

（2）第三系碎屑岩类孔隙裂、隙水

据已有资料，在潜水含水层之下，至第三系泥岩顶部风化带的孔隙、裂隙水。

2.3.2 地下水质特征

阎家河至赵家崖一带，水质类型、矿化度及硬度见表2。 局部近丘陵地带，出现了 SO4-HCO3型或HCO3-SO4-Cl型，矿化度为0.9-19g/1，总硬度高达401-933mg/l，水质较差。

表2 不同区段的地下水质

3.井壁坍塌预测

当围岩所受到的应力超出了其自身强度的时候，便会发生井壁坍塌。所以，要预测井壁坍塌，必须查明井周围岩应力状态、围岩强度及孔隙水压力等。

井孔形成后井壁围岩受以下五个作用力的综合作用：

1、受钻井液液柱压力Pi；

2、垂向地应力 σv；

3、最大水平地应力 σH；

4、最小水平地应力 σh；

5、地层孔隙压力 Pp 。

实际上，通过受力分析可知井壁围岩三向主应力分别为 σ 1（σv）、 σ 2（σH）和 σ 3 （σh）。

考虑到含水层埋深较浅，水平向以单轴应变为基础的最大和最小地应力，即：

大量工程经验及理论研究表明，井壁失稳有两种形式：压致剪切破坏与拉伸破坏。实际应用的时候，一般采用Mohr--Coulomb 强度准则和最大拉应力强度准则分别评价井壁的压致剪切破坏和拉伸破坏。

井壁坍塌、缩径：

对研究区地下水源热泵抽水井影响范围内的地层强度参数及孔隙水压力测定结果如下表3。

表3 地层岩土体力学参数

计算表明：研究区圆砾、泥岩层均易坍塌。一般地，在钻井过程中，普遍存在剥蚀、掉块等类型的井壁坍塌，发生坍塌的原因是多方面的，涉及到复杂的力学作用、物理化学作用。

研究区圆砾层为主要含水层，相对松散，而泥岩层含蒙脱石等亲水矿物，水化易膨胀、软化，这是导致研究区潜水井井壁坍塌的主要原因。

4.井壁稳定性防范措施

研究区岩土体属于易坍塌区块，在钻进过程中应该严格执行规范要求的钻进工艺。同时，采用抑制能力较强的钻井液体系。

4.1 严格控制易塌地层钻井液的滤失量

滤矢量越大，液体渗入就越深，进而影响范围也就越大。在地层中，水化作用会造成膨胀、崩解、溶蚀等降低岩土强度行为。一般地，可通过提高钻井液粘度来实现滤矢量的降低。

4.2 增加钻井液的抑制性

勘察资料表明，研究区泥岩层含有蒙脱石和高岭石、伊利石等粘土矿物，通过适度提高钻井液的含盐量，有助于抑制因蒙脱石水化膨胀分散诱发的崩解脱落。此外，以含蒙脱石主的泥岩地层，在钻井液中加入贯用的含钾防塌剂对此类地层的井壁稳定是极其有利的。

5.结论

（1）藉河阶地含水层主要为圆砾层潜水，局部存在承压水和半承压水。水质类型比较简单，基本为HCO3-Ca、HCO3-Ca-Mg，水质良好，矿化度0.4-0.6g/l，硬度较低，为216-312mg/l。

（2）采用 Mohr--Coulomb 强度准则计算表明研究区井壁易发生坍塌，研究区圆砾层为主要含水层，相对松散，而泥岩层含蒙脱石等亲水矿物，水化易膨胀、软化，所以极易发生压致剪切破坏。

（3）严格控制易塌地层钻井液的滤失量和增加钻井液的抑制性对于研究区井壁坍塌防范十分必要。