陈晓岚， 张 凇

(重庆市地勘局 208水文地质工程地质队，重庆 北碚 400700)

重庆直辖市红层分布面积3.85×104km2，占全市幅员面积的48%，受气候等因素影响，这些区域缺水问题突出，严重影响了当地居民的正常生产生活，涉及31个区(县)698.6万人，2004—2015年重庆市实施“红层找水”民心工程，累计打井27.6万口，解决了100多万人饮水困难[1]。目前，红层机井已使用3—15年，在机井使用回访中发现大量水井存在井底淤积、出水量减少、水质恶化等问题，导致大量机井不能正常使用。据不完全统计，不能正常使用机井达10%～30%，局部严重区达50%，影响居民生产生活，造成资源浪费。因此，为了提高红层机井利用效率，延长其使用寿命，缓解水资源短缺的问题，开展红层浅机井维护势在必行，刻不容缓。

1 重庆市红层水文地质条件

红层含水岩组为侏罗系地层，以泥岩及页岩为主，夹不等厚砂岩，分布于向斜、背斜轴部及两翼，岩组中普遍赋存风化裂隙水及基岩裂隙水。风化裂隙水埋藏较浅，风化裂隙是地下水储集、运移的空间，具就近补给、就近排泄的特点，动态变化大，富水性较差；基岩裂隙水主要赋存于砂岩中，层厚稳定，构造裂隙发育，地貌上多呈深丘或低山，补给充沛，富水性相对较好，红层浅机井主要开采该类地下水[2]。

2 “病态机井”成因

红层“病态机井”的成因较复杂，与成井地区、成井时间、成井地层、使用习惯等关系密切，可能导致的机井问题各不相同。据重庆市江津区、垫江县、南川区62口红层浅机井(其中2007年成井的有6口、2010年3口、2011年5口、2012年10口、2013年13口、2014—2015年21口)使用抽样调查：有11口机井停用，4口机井间歇使用， 47口机井经常使用，机井使用率达到75.8%(其中成井2年以上正常使用的机井在70%以下，成井2年以内正常使用的机井在95%以上)；合格机井7口集中在2014—2015年，合格率为63.64%，其他年份机井都出现了各种问题。“病态机井”主要由井底沉沙淤积、水位下降、水量减小、水质恶化等造成，据抽样调查统计来看，井底沉沙淤积为主要问题，占调查机井总数的75.81%；其次是水量减小、水质恶化，分别占调查机井总数的29.03%、23.53%[3]。

(1) 沉沙淤积。井底沉沙淤积有三个原因：一是岩体裂隙中不易溶解的细颗粒经地下水搬运到井内；二是井壁岩体经地下水浸泡软化掉块直接进入井内；三是井台破坏，地表水携带泥沙进入井内。机井使用时间越久，井内沉沙累积越多；当机井分布有泥岩、页岩时，井底沉沙速度较快。井底沉沙堵塞含水层，造成水量减少；同时井水变浑浊，水质恶化，加重水泵机械磨损，烧毁水泵造成不必要的经济损失。

(2) 水量减小。影响机井出水量的主要因素是季节变化和含水层堵塞。红层浅机井开采的是浅层地下水，出水量与大气降水密切相关，雨季水量增大，枯季水量减小，干旱季节变化尤其明显。井内沉沙堵塞含水层或者长时间未抽取地下水，地下水流速变缓，岩体裂隙中细颗粒不能及时排走，引起地下水径流通道——裂隙堵塞，造成机井出水量降低，甚至枯竭。

(3) 水位下降。机井水位下降主要与出水量有关。红层浅层地下水受季节影响大，雨季时降水频繁，地下水得到有效补给，水量丰富，水位上升；旱季时降水贫乏，地下水补给减少，机井出水量降低，水位下降。同时机井沉沙堵塞含水层，造成出水量减少，引起水位下降。

(4) 水质恶化。井底、井壁淤泥是细菌滋生的温床，时间越长，淤泥沉积越多，细菌滋生越快，造成井水感官指标、悬浮物、微生物超标。定期洗井能有效清除沉积的淤泥，并向井内投放二氧化氯进行杀菌，井水经过曝光、曝气、过滤、沉淀处理，对水质改善效果明显[4-5]。

(5) 井壁垮塌。井壁垮塌会造成机井堵塞，使机井无法使用，同时没有护壁管和井台的隔离保护，地表水、地表污染物会直接进入井内，污染井水，使水质变差，保证机井护壁管和井台的完好能避免此类问题发生。

3 常规机井维护技术优缺点

国内外常用的机井维护技术有高压注水洗井、液态CO2洗井、化学剂洗井、固体燃料洗井、空压机洗井、活塞洗井、钻进打捞洗井、掏沙打捞洗井等，其各有优缺点(表1)。

表1 红层浅机井常规机井维护技术综合对比评价Table 1 Comprehensive comparison and evaluation of conventional well maintenance technology for shallow well in red bed

常规机井维护技术优缺点均较突出，对于红层浅机井来说，化学剂洗井、固体燃料洗井技术材料运输不便，操作复杂，可能造成地下水环境二次污染；活塞洗井、掏沙打捞洗井、钻进打捞洗井技术设备笨重，运输困难，维护周期长，成本高昂；高压注水洗井、液态CO2洗井、空压机洗井技术设备简便、操作简单、成本低，基本能达到维护效果，但对机井自身及周边环境条件要求高，维护效果差异大。

4 红层浅机井维护技术研究

4.1 研究原则与目标

红层浅机井具有埋深浅(一般埋深在20～30 m之间)、成本低(成井费用在1 000～1 500元之间)、数量多、井位分散等特点，机井维护技术应充分考虑运输条件、维护周期及用户的承受能力，以操作简便、实用性强、效果突出、周期短、成本低廉为原则。

红层“病态机井”最核心的问题是水量减小、水质恶化，主要是由于机井沉沙淤积、含水层堵塞造成的，维护技术研究应围绕井底清淤、畅通含水层的径流通道开展工作，达到节约成本、保证机井正常使用、延长机井使用寿命的最终目标。

4.2 维护技术研究

常规机井维护技术在维护时间、维护效果及维护成本上具有一定的局限性，需要在现有维护技术基础之上进行改进和优化，研究与红层浅机井相匹配的维护技术，以满足红层地区大量的浅机井维护要求。

在室内试验、野外验证的基础上，本次研发了一种新型红层浅机井维护技术——轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术，其技术原理、设备构成、操作方法、维护效果及效益如下。

(1) 技术原理。首先采用轻型钻机(背包钻机)钻进搅松井底淤积泥沙，让泥沙进入与钻具相连的泥沙筒内，提出地面，清除井底淤积泥沙；然后利用空压机通过进气管将空气压入井底，在气举作用下，疏通含水层裂隙，推动井水及井底残留泥沙喷出地面，最终达到机井维护的目的(图1)。

(2) 设备构成。轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术所需设备主要有轻型钻机、钻杆、沉沙筒、钻头、空压机、进气管。

轻型钻机：与钻杆连接，为整个钻进过程提供动力，选用轻型背包钻机，方便搬运和操作。

钻杆：连接钻机和沉沙筒，宜选择轻型空心钻杆，为了便于搬运，节长不超过2.0 m。

沉沙筒：上接钻杆、下连钻具，尺寸与机井内径相当，一般127 mm；利用自行车单向齿轮原理，筒底正向旋转时开启、反向旋转时关闭功能，即钻进过程中筒底处于开启状态，钻进完成后处于关闭状态，让井底淤积泥沙自动进入沉沙筒。

钻头：考虑到井底泥沙沉积年限较久，部分可能已经固结，密实度较高，需采用特制钻头将井底淤积泥沙搅松，让其与水体混合进入沉沙筒内。

空压机：与进气管相接，提供高压空气。

进气管：与空压机和轻型空心钻杆相连，向井底输送高压空气。

(3) 操作方法。第一步：背包钻机搅动井底淤积泥沙，让泥沙进入沉沙筒内；

第二步：提拉钻具，将沉沙筒内泥沙排出地面；

第三步：空压机形成的高压空气经进气管、背包钻机空心钻杆进入井底，产生强烈气举，冲击含水层裂隙，疏通地下水径流通道，同时将井内水和残留泥沙冲出地面。

图1 轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术操作流程示意图
Fig.1 Operation flow chart of light drilling and fishing + air compressor combined well washing maintenance technology

(4) 实验验证。为了了解轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术的实用性和效果，本次技术实验验证分室内和野外两个阶段进行。

① 室内实验阶段。利用PVC塑料管来模拟井壁，往PVC塑料管内倒入泥沙用以模拟井底淤积泥沙，通过人工搅动模拟钻进，用送风机模拟空压机产生高压空气，初步验证了该联合洗井维护装置在搅拌、收集、排出井底淤积泥沙的可行性。实验结束后观察，PVC塑料管内泥沙及水体基本排出，管底、管壁较干净，达到了试验目的(图2)。

图2 室内模拟实验
Fig.2 Indoor simulation experiment

② 野外验证阶段。野外验证在重庆市江津区贾嗣镇玉皇村5社选取了3口成井深度为23.4 m(J1)、24.6 m(J2)、26.3 m(J3)的红层“病态浅机井”，机井病态原因主要有水位降低、水量减少、水质恶化、井底淤积，目的是验证轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术在红层“病态浅机井”实际应用中的可行性(图3)。

在实验前，测量了3口井的水位和井深，并进行了简易抽水试验，观察井水浑浊，呈淡黄色，有腥味。实验中首先用背包钻机搅动井底淤积泥沙，并用沉沙筒提出地面，测得机井J1、J2、J3淤积泥沙厚度分别为2.2 m、2.8 m、3.1 m；然后用空压机经空心钻杆向井底压入高压空气，将井内残留淤积泥沙和水排出地面，测得J1、J2、J3井深分别为23.30 m、24.49 m、26.21 m；最后在机井水位恢复后再次进行简易抽水实验，涌水量较实验前有明显增加，水质清澈，无异味(表2)。

图3 野外验证实验
Fig.3 Field verification experiment

表2 轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术效果对比分析Table 2 Comparison and analysis of the technical effect of light drilling fishing and air compressor combined well washing maintenance

5 维护效果与效益分析

野外实验验证结束后，对3口浅机井的井深、水位、涌水量、水质进行对比，机井井深增加2.2～3.1 m，水位上升0.7～1.5 m，涌水量增加0.6～1.1倍，水质由浑浊、有异味变为清澈、无异味。野外验证说明，轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术能够明显改善红层浅机井使用过程中存在的问题，效果较好。

轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术优势在于：所需设备简单、使用方便、2人可操作；机井涌水量大小一般在1—2 h能够完成，用时较短；对清除井底淤积泥沙和疏通含水层裂隙效果显著，有效改善了红层浅机井的涌水量及水质；维护成本在200～250元/口，成本低。不足在于维护时间和成本受机井涌水量限制，涌水量越大，用时越短，成本越低；反之则用时较长，成本较高。

从验证来看，轻型钻进打捞+空压机联合洗井维护技术能够有效改善红层浅机井使用过程中存在的问题，达到了资源再利用的目的，同时其投入相对较低，可推广使用。

6 结论

“红层找水”实施以来，深受受益农户的欢迎，红层打井工程不单是一项“民生工程”和“德政工程”，也是一项“扶贫工程”。缺水地区家庭多为留守老人和儿童，缺乏机井维护意识，管理不善引发新的缺水问题，通过机井维护，提高机井使用效率，延长机井使用寿命，有效改善农户饮水困难和用水安全，降低农户饮水风险和家庭负担，不用去挑水、找水，将解放出来的劳动力投入到其他行业，增加其收入，使贫穷地区群众体会到党和国家的关怀，坚定他们脱贫致富奔小康的信心和早日实现共同富裕这一目标。