刘海涛，郭旭飞，艾小平

(1.陕西省煤层气开发利用有限公司地质研究院分公司，陕西 西安 710065；2.商洛西北有色七一三总队有限公司，陕西 商洛 726000；3.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

分层抽水方法广泛应用于煤田水文孔抽水试验[1-3]。小庄煤矿位于陕西省彬州市义门镇管辖，矿区东西长6.5 km，南北宽7.0 km，面积45.824 7 km2，采矿权人为陕西省彬长矿业集团有限公司，生产规模为6.00 Mt/a，主采4号煤层，煤层顶板上覆洛河组砂岩孔隙-裂隙含水层、宜君砾岩、直罗组砂岩、延安组煤层及其顶板砂岩裂隙含水层。矿井主要充水含水层为白垩系洛河组砂岩含水层，全区均有分布。为了矿井盘区顺利接续和防治水安全生产工作，为矿井建设提供可靠的水文地质资料，采用多层抽水试验综合止水技术，调整水文孔施工工艺以及抽水顺序，运用先进的止水工艺，使用膨胀橡胶止水材料进行勘探。针对混合抽水等难点，通过邀请西安煤科院水文所专家现场指导抽水试验，以期证明此种方法具有施工可行性。

1 现有单孔技术及存在的问题

1.1 现有技术

按设计钻探进尺811.0 m，抽水试验3个层段(洛河组、直罗组、直罗延安组)，要求本次抽水共3层，自上到下，分层钻进进行抽水试验。施工时，首先为一开φ113 mm钻至设计洛河组底部546.5 m，进行煤田常规测井，划分地层，扩孔φ252 mm，下表层套管φ219 mm护壁(保护黄土层及风化基岩孔壁)，用水泥封堵环状间隙进行固管作业。接着，洗孔并对洛河组含水层试验段进行抽水，近视稳态测温。然后，二开φ205 mm进直罗组下段766.90 m，下入φ180 mm套管，采用水泥架桥法封闭安定组底部，进行隔离止水检查合格后，第2层直罗组抽水试验开始，最后进行水文测井。随后，三开φ165 mm进入延安组底部下段停钻，对钻孔底部沉沙进行冲洗并确认止水效果后洗井，进行直罗延安组抽水试验；并进行水文测井。接着，四开φ113 mm钻进至4号底部下30 m，终孔。随后，起拔套管以及抽水设备；采用标号R42.5水泥与水按体积比2∶1配成的水泥浆由钻孔底封闭至洛河组底部。最后，洗井，安装水位长期观测仪器，观测洛河组全段水文变化情况及孔口装置并做好孔口标记，终孔。

1.2 存在的问题

现有技术存在分层钻探施工工期较长，成孔效果不理想的问题[4-6]。此外，洛河组水量较大，需要大孔径水泵，需变径施工，多次扩孔，易造成孔内沉沙，造成孔内事故，严重时可使钻孔报废。而且，下入套管后进行小孔径钻探施工对钻头机械组合提出比较高的要求；当止水位置较深时，由于止水管和孔壁间隙小，第2层抽水试验完成后，止水管拔出时容易卡钻，严重时可使钻孔报废。

2 多层抽水试验关键技术及难点

针对水文孔抽水水位埋深大、水泵扬程功率技术发展存在的一定的瓶颈，在抽水设备能力有限的情况下，电缆电机均对孔径有一定的要求[7-9]。因此，对小庄煤矿1907孔进行的3次抽水试验作了相应改进和尝试。

2.1 含水层抽水顺序变换

2.1.1 上部含水层组分析

上部含水层组为洛河组底深553 m，为稳定的裂隙砂岩含水层，其上覆黄土层和基岩强风化带下有φ219 mm表层护壁套管279 m，洛河组上覆地层为第四系全新统冲，洪积层孔隙潜水含水层，据煤矿回风立井检查孔第四系和新近系混合抽水试验成果，单位涌水量0.002 11 L/s·m，渗透系数0.003 596 4 m/d，富水性弱，矿化度1.05 g/L，水质类型SO4·HCO3-Na型，但华池组相对隔水层有效阻隔了上覆含水层的影响。因此，抽水试验时不需要再下止水套管；抽水试验较简单，不会对其下工序产生不利影响，所以在钻到第1含水层组底界时停钻，进行第1次抽水试验。

2.1.2 中部含水层组分析

中部含水层组为直罗组砂岩裂隙弱含水层，深度达到682.92～704.66 m。抽水试验前应下止水套管对洛河组(第1含水层组)进行隔离止水，一旦止水套管与孔壁间发生掉块或缩径现象，止水套管将难以拔出，造成孔内事故[10-14]。钻孔结构如图1所示。

图1 含水层抽水试验示意

2.1.3 技术优化

针对技术难点，现场技术人员采取了变更抽水顺序的措施。具体为，用水文2000钻机φ60 mm钻杆小径(φ133 mm)直接钻至终孔，常规水文测井后扩孔至安定组(中部含水层组)底界，下放安置φ180 mm止水套管(外焊止水托盘)对直罗组含水层进行变径隔离止水，对套管与孔壁环状间隙采用黄豆与大米混合临时填堵；由于洛河组砂岩地层资料显示水量较大，故对第2含水层组下φ165 mm，长度21.74 m花管，这样做既保护了井壁，又能保证对直罗组进行抽水试验时不受到上层洛河组水的影响，如若孔天顶角以及方位不理想，采用匀速控制扭矩下置水文套管，特别要求现场加工焊接肋片，沿钢套管外表面圆形每隔120°，焊接一个肋片，长度不宜过大，其纵向间距要求共20 m，安装4组，共12片。对下部两含水层组的抽水试验采用先下后上的原则。首先对侏罗系中统直罗和延安组(第3含水层组)进行抽水试验，利用φ60 mm钻杆既作出水管，又兼作止水管(煤田钻机φ60 mm钻杆和测管外部焊接一个环状膨胀止水器)对直罗组底部隔离临时止水。抽水试验结束后，起拔设备至用水泥浆对延安组进行封闭，然后对直罗组第2含水层进行抽水试验。

2.2 膨胀止水器的应用

在进行第3层组抽水试验时，利用φ60 mm钻杆接手处(钻杆连接位置)外部焊接环状膨胀止水器对其上覆直罗组含水层进行隔离止水。预先在隔水管(选择φ108 mm)底部约2 m处焊接钢制止水托盘(外径127 mm)，厚度为12～20 mm，在托盘下部安装止水橡胶，需注意安装托盘下放时需考虑孔斜，提前预留多余的套管内径，保障膨胀止水器下放至止水直罗组底部位置。抽水试验结束，起拔抽水设备，利用钻机钻杆将止水器从φ165 mm花管提升(拉拔时需控制钻机扭矩拉拔力，均匀提升)。由于此次施工的为水文孔，在操作过程中，为了确保环状可压缩止水器在孔内的顺利下入及起拔，对孔斜要求较高，钻孔偏斜率应小于或等于1.0%，达到甲级要求，如果孔斜达不到甲级孔设计要求，可进行扩孔矫正孔斜并进行测井工作。

2.3 抽水试验与止水效果检验

2.3.1 试验方法

按水文地质规范要求，该孔运用稳定流抽水试验，计算公式选用承压完整井裘布依公式。3个试验段洛河组进行3次降升抽水，直罗组和直罗延安组混合抽水均作一个最大降升抽水。其中洛河组单位涌水量0.20 L/(s·m)，渗透系数0.09 m/d，其余两组含水层单位涌水量均小于0.001 L/(s·m)。抽水试验过程严格根据水文规范要求，对多层抽水止水位置原则上选取泥岩段或者相对隔水层。本次洛河组抽水试验q-s曲线如图2所示，如若反常，应该查明原因，现场排除后重新试验。规范推荐运用“水位压差法”检验止水效果，本次抽水下入止水器前，进行探孔作业，确认孔内无缩径等问题后，方可正常下入。

图2 XZ1907钻孔洛河组抽水试验q-s曲线

2.3.2 结果检验

本次止水位置，综合钻探与测井资料显示岩性为相对隔水层砂质泥岩与粉砂岩互层，长度均在5～10 m。止水位置采用水文套管保证井管无渗漏现象，最终通过管内外，稳定观测10 h，总时长24 h，水位差值波动幅度稳定在0.2 m。本次止水为临时性止水并非永久性，未用水泥封闭止水(水泥止水大概率导致套管不能拔出)，止水位置放置于各封闭含水层顶面3 m以内。

2.4 技术难点

该方法在对中部含水层进行稳定流抽水试验时，首先要对直罗组上部安定组底部进行隔离止水，还要对下部延安组进行止水，应用膨胀橡胶已避免上下含水层发生渗流，影响数据采集。对下部混合含水层抽水试验工作结束后，需拔出止水器，需要考虑膨胀橡胶与止水器不会因为孔径变化。如不能成功拔出，严重时可能导致止水套管不能顺利拔出，对下一步洛河组长观孔观测造成影响。

3 抽水试验结果分析

3.1 试验结果

据小庄煤矿钻孔实际钻探水文资料及单孔设计要求，本孔对白垩系下统洛河组(K1l)、侏罗系中统直罗组(J2z)、侏罗系中统直罗和延安组(J2z+J2y)共3个含水岩组进行了多层抽水试验，结果见表1。根据钻孔抽水试验以及水文报告分析，直罗组与延安组混合抽水试验，其单位涌水量0.000 076 L/s·m，渗透系数0.000 073 m/d，属弱富水性。直罗组单位涌水量0.000 054 L/s·m，渗透系数0.000 203 m/d，属弱富水性，水质类型Cl·SO4-Na·Mg，矿化度1.889 g/L，水温28 ℃。洛河组单位涌水量0.192 5～0.214 7 L/s·m，渗透系数0.078 058～0.105 064 m/d，水位标高912.904～840.614 m，属富水性中等含水层。

表1 XZ1907钻孔抽水成果统计

3.2 经济效益分析

按常规施工方法，本次单孔抽3层水需进行3次测井工作，并进行重复钻探扩孔以及洗井工作。运用此方法，节省施工时间预计7 d。综合止水技术主要针对多层单孔抽水试验，中部含水层上下部止水的复杂问题。利用技术对上部含水层下变径法水文套管加环状间隙充填，下部则利用膨胀橡胶止水器技术保障止水效果，减少深部水文孔止水，起拔过程中容易出现的水文管卡钻问题，该方法简化了施工程序，节省了施工工期以及费用支出。

4 结论

(1)综合止水技术主要针对大孔径抽水环境下，对上下部两层含水层同时进行止水，现场技术的应用改进了施工工艺，降低了施工成本。

(2)开展大孔径一孔多层抽水试验工作，改变抽水工艺，通过与天津、山西等水泵厂家进行现场数据研究交流，研制了耐磨损、抗拉强度高、性能稳定的40QB15-500-45kW-Φ145 mm型不锈钢潜水泵，抽水能力达到15 m3/h，扬程480 m，能够良好匹配大多数空压机，减少了因孔径问题不能正常下放水泵的问题。

(3)水文孔洗井过程中在钻具组合方面设计钻杆加入逆止阀进行负压洗井作业，可使套管内保持沙清水静；本次一孔分层抽水试验在实际应用过程中，下部直罗延安组含水层混合抽水试验工作时，在煤层段抽水前下至治水管时，重点要稳压、匀速，控制对煤层的污染，包括水泥浆的深度控制。

(4)抽水试验可加入瓦斯数据的提取工作，设计与抽水设备同步数据提取设备，坚持科学试验多数据研究，可以节省重复勘探造成的资源浪费。