长笛坯内衬应安装到多深？

空白衬管安装深度 PDF

目的

本文阐述了为实现有效密封，将盲衬管安装至未达井孔全深处的依据。安装盲衬管所需的时间在很大程度上取决于井孔中的透水系数分布。 对大多数井眼而言，实现有效密封所需的时间不到两小时 ，且当井孔已获得充分密封时，衬管可能并未位于井底附近。

背景介绍

A Solinst 竖笛型预制衬管 安装相对简单，且所需辅助设备极少。对于希望自行安装内衬管并在需要时将其拆除的用户，DVD中提供了安装操作指南。该空白衬管通过一种称为“外翻”（与“内翻”相反）的过程进行安装，随着衬管沿井孔向下推进，它会将水从钻孔中排挤出去。被排挤的水会流入地层中所有可用的流道。随着衬管下放，它会自上而下封堵各流道；每当一个流道被衬管封堵后，钻孔的剩余透水率便会降低。因此，衬管在井内下放的初始速度相对较高，且取决于钻孔的总透水率以及衬管内的超压。随着衬管下放，透水系数逐渐减小，因此衬管的安装速度也随之降低。最终，衬管下放速度要么慢到无法在合理的时间内继续进行安装，要么衬管到达井底。在许多情况下，衬管并不会到达井底。

在野外监测站点，Solinst 405型空白衬管缠绕在技术部署卷盘系统上的特写镜头

索林斯特长笛空白衬垫装运卷轴

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衬管安装的实际限制

如果衬管下放封堵了钻孔中的最低流道，且剩余钻孔段的透水系数为零，则衬管流速将趋于零，显然无需将其进一步下放至钻孔中。

实际上，在最后一条主要流道被封堵后，衬管流速会降至非常低的水平，但并非为零。衬管流速是衡量衬管下方孔洞流出流量的指标。流量 Q 即为孔眼横截面积乘以流速。孔眼剩余部分的透水系数 T = dz C = Q ln(_r/r0)/(2 π dH)，其中 dz 为开孔长度，C 为导水系数， Q 是根据衬管流速和孔眼横截面积确定的流量，_r/r0的量级约为 1000，dH 是衬管内的驱动过剩水头。利用衬管下放过程可测量流量并据此计算T这一事实，Solinst Flute的另一项测量程序将其用于测定钻孔的整体透水系数分布。（但该测量仅能使用专用设备并由Solinst Flute专业人员操作。）

要达到多低的衬管流速，才能使孔洞其余部分的导电率变得可以忽略不计？或者说，流速需要低到什么程度才算足够低？答案在一定程度上取决于具体情况以及衬管需要密封孔洞的时间长度。不过，以下几点事实令人放心：

衬管正在将水推入地层。这是衬管安装过程中必不可少的一环。通常情况下，只要随后对井孔进行妥善密封，将最多相当于一个井孔体积的水推入地层通常不会造成问题。如果衬管未能下探至井底，则被挤入地层的水量将少于一个井孔体积。
套管由其内部的过剩水头驱动。如果套管被固定在锚点上，无法继续下放，那么基本上就没有水头将水压入地层，因此套管下方的水可能会滞留在井内。
在井孔最深处测得的衬管流速是开放井孔中剩余透水系数的衡量指标。因此，无论开放井孔的长度如何，衬管下方的井孔透水系数均可通过衬管流速来测定。
如果渗透系数足够低，那么在衬管封堵后，且剩余开放井孔不再存在超压的情况下，就无需担心会有显著的流体从井孔中流出。那么，这种“足够低”的渗透系数具体是多少呢？
假设衬管下方存在一个开放井眼，只有当地层在该区间内存在垂直梯度，才会导致流体从井眼中流出；最坏的情况是，剩余透水率的一半所处的静水头高于另一半。这与以下事实有关：如果没有流入，就不可能有流出；而在封闭空间内，流入量等于流出量。

遗憾的是，由于未知钻孔内的水位分布情况，因此也无法确定剩余裸露段的坡度。因此，任何关于流速是否足够低的判断，都必须基于对当地水文状况的总体了解。不过，仍有一些相当可靠的假设：

如果衬管下方孔洞中剩余的所有透水性均位于一个垂直水头均匀的区域内，则没有源区会将水从该剩余区域中挤出。因此，该孔洞将永久保持充分密封。
如果从未封堵的井段流出的流量不超过剩余开孔体积，那与将衬管推进至井底并无二致。产生如此流量所需的时间无需考虑，该时间将在下文计算。
经过那段流经时间后，如果流入区受到污染而流出区未受污染，那么后续的流经情况就值得关注了。
衬管下方孔洞的流出流量与该未密封段的自然驱水水头差与衬管安装过程中驱水水头之比直接相关。我们已知安装过程中的流量，因此只要假设未密封段的水头差，即可估算流出流量。
除非未密封的区间横跨两层隔水层，否则衬里下方区间的水位差可能相对较小。

基于上述概括，可以估算衬管下方区间内的流出速率。

在对钻孔进行常规水力传导率剖面测定时，我们通常会在衬管速度降至低于 0.001 英尺/秒或 0.06 英尺/分钟（孔径较小时该值较高）时停止测量。这意味着系绳/衬管以该速度的两倍，即1.5英寸/分钟的速度向井孔内推进。对于一个公称直径为 5 英寸的孔，以我们典型的驱动水头 15-20 英尺计算，流量约为 0.06 加仑/分钟。这相当于孔内剩余的透水系数约为 0.02 平方厘米/秒。如果此时钻孔中衬管下方有 20 英尺的开放段，假设衬管下方钻孔内存在水位差，我们可以估算将衬管下方钻孔内的该体积水排入地层所需的时间。假设在20英尺的区间内水头差为0.5英尺，则需要18天才能将这20英尺井孔内的水体排入地层。该结果基于最坏情况的假设，即半数渗透率用于水流进入钻孔，另一半用于水流流出钻孔。若在相同最终流速下，开孔段长度更长，则所需时间将相应延长。

如果水位差较大或流速较高，则所需时间会相应缩短。在大多数情况下，孔洞关闭时的最大流出流量远低于孔洞开放时流量的1%。主要原因是衬管封堵了渗透性较强的地层，通常会大幅降低剩余开放孔段的垂直水位差。用于测井的安装截止深度通常远低于临时盲衬管安装的截止深度。

建议的安装时间

我们的电导率剖面测量经验表明，在安装空白衬管后不到约2小时内，大多数孔洞就能被有效密封。 如果孔底附近存在快速流动区，则所需时间会大大缩短。如果孔的总透水系数非常低，且其中大部分集中在孔底部分，则安装时间超过2小时可能是可行的。推荐的安装系绳速度将使衬管下方留有透水率约为 0.2^cm²/s 的透水区。建议在系绳/衬管进入钻孔时的速度小于或等于以下数值时结束安装：

系绳/衬绳的最小速度 = 20 英寸/分钟 × (dH/15 英尺) × (3 英寸/r)^²

其中，dH表示以英尺为单位的驱水头（通常为至地下水位的深度或小于 20 英尺），r表示孔径半径。对于直径为 6 英寸、驱水头为 15 英尺的孔，系绳速度临界值应为 20 英寸/分钟。对于 15 英尺的驱水头，这通常意味着安装时间约为 2 小时或更短。这使得衬管下方的剩余透水率保持在 0.2^{平方厘米/秒}。

测量速度时，最好在系绳上施加约5磅的张力。该截断值与孔长无关。如果驱动头在6英寸的孔中仅长5英尺，则临界值将降至约7英寸/分钟。显然，使用长度大于5英尺的驱动头会更快。幸运的是，当衬管通过最后一条主要流道时，可以非常迅速地测得临界速度。

如果较低的 透射率 （例如 0.1 与 0.2^cm²/s），则可按比例降低最小流速。这将延长安装和拆卸的时间。

如果衬管仅需留在原位几周，则无需像长期留置时那样对孔洞进行大范围密封。可通过在衬管距套管顶部二十英寸处做标记，并测量该标记到达套管所需的时间来确定牵引绳速度。如果耗时约1分钟，就该考虑将系绳/衬管固定住了。通常将衬管安装至其长度的一半以上会比较方便，这样只有系绳留在孔外。但这只是为了方便，并非必要。

一个重要的实际考虑因素是，拆除内管所需的时间与安装内管所需的时间大致相当。如果流速降至极低，随后在未将内管系在井口锚点以防止其下沉的情况下填充内管，内管将持续沿井眼向下移动，直至内管中的过剩水头耗尽。这有两个弊端：一是整个衬管内的余压不足以形成良好的密封；二是通过倒置法拆除衬管可能需要非常长的时间。强烈建议不要在余压耗尽之前让衬管继续向井下移动，也不要在余压耗尽前重新注水至衬管内。

安装和拆卸内衬时，应充分了解这两项操作的流程。该操作流程（
）可从 Solinst Flute 网站[email protected] 获取，或致电 +1 (505)-852-0128 咨询。