技术领域
[0001] 本
发明涉及
地下水监测井填料技术领域，具体涉及一种地下水监测井动水旋流填料方法及填料设备。
背景技术
[0002] 作为一种优质的水源，地下水是我国重要的供水水源。2018年，全国地下水供水量超过970亿m3，其中东北和华北地区地下水供水量占总供水量的50％以上。地下水已经成为一个地区经济发展的重要决定因素，因此对地下水进行监测非常必要。地下水监测最有效措施是建设专用地下水监测井。目前我国已经建设了2万多个国家级地下水监测井，平均监2
测
密度只有1个/500km ，监测井密度远远不能达到监测需求。为了达到每百平方公里1个监测井的初步需求，至少还需要建设8万多个监测井，在某些局部重点地区，监测密度需要更大。而在监测井建设过程中，为了防止含水层的细砂进入井内，需要在滤水管与孔壁之间填充砾料；为了保证不同含水层之间相对独立，需要在隔水层
位置填充特制的粘
土球进行止水。
[0003] 以往采用的是静水填充法，下完井管后，在井口直接填入砾料和粘土球，让砾料和粘土球自由沉淀到井下。由于孔壁与井管之间空隙小，井内泥浆浮
力大，砾料和粘土球的沉淀速率和运动方向基本不受控制。一旦砾料和粘土球的填入速率大于沉淀速率，砾料和粘土球就会在拥堵在某处，造成填充的砾料和粘土球不能到达
指定位置。而且，砾料和粘土球一旦填入井内，即使没有到达指
定位置也不能取出重新填充，最终监测井只能报废，造成极大的经济损失。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种监测井井管与孔壁之间环孔内填充砾料和粘土球的方法和填料设备，保证砾料和粘土球能够准确地填充到指定位置。
[0005] 本发明首先提出一种地下水监测井动水旋流填料方法，该方法包括以下具体步骤：
[0006] 步骤1，根据钻井和测井参数，确定含水层和隔水层的位置和厚度；
[0007] 步骤2，根据所述滤水管外径、钻孔口径、含水层厚度获得砾料用量；根据护壁管外径、钻孔口径、隔水层厚度获得粘土球用量；
[0008] 步骤3，利用送水
泵把泥浆从泥浆池里注入到井筒，再利用抽水泵使所述泥浆从井筒回到泥浆池，所述抽水泵的抽水量与所述送水泵的送水量相等，所述抽水泵抽出的泥浆经过过滤、沉淀处理后，再进入所述泥浆池，使所述泥浆在井筒和泥浆池之间循环，同时往所述泥浆池里加水，经多次循环后，将泥浆
粘度调整到既能保证井局壁
稳定性，又能最大限度的保证砾料或粘土球的下沉为标准；
[0009] 步骤4，将投料用的
导管下入到监测井井孔内的井管与所述监测井孔之间环孔内的指定位置，然后在所述导管上端安装所述投料漏斗；
[0010] 步骤5，用所述送水泵向所述投料漏斗中送入所述泥浆在所述投料漏斗中形成旋流；
[0011] 步骤6，判断所述监测井的井底是含水层还是隔水层，如果井管底部为含水层则填充砾料，否则填充粘土球；
[0012] 步骤7、根据步骤6判断的结论，往所述投料漏斗中送入泥浆的同时送入所述砾料或者粘土球，具体包括以下步骤：
[0013] 步骤71，将所述砾料或者粘土球随着所述旋流一起加入到所述导管中；
[0014] 步骤72，控制所述抽水泵的抽水量，使所述抽水泵的抽水量与所述送水管的送水量相等；
[0015] 步骤73，控制所述导管围绕所述井管做均匀的往复圆周运动，当所述导管运动到所述抽水管处时，然后反向运动，再次到达所述抽水管时，再做反向运动；
[0016] 步骤74，在填料过程中使用所述填料顶面深度测量仪，测量料面高度，确认料面填充到达设定高度，将导管上提，然后再填充；
[0017] 步骤75，如果所述料面高度已经达到当前隔水层或者含水层顶部的高度，则更换填料种类；以及
[0018] 步骤8，重复步骤7直到填料至所述监测井井口后，填料过程结束。
[0019] 优选的，所述步骤3中的泥浆的粘度为17秒。
[0020] 优选的，所述步骤71中填料的速率为2-4m3/h。
[0021] 优选的，所述步骤71中在填充粘土球过程中要不断的观测泥浆的粘度，泥浆粘度大于等于20秒时，使水与泥浆混合，降低泥浆的粘度，当泥浆粘度达到17秒时，则可以停止供水，继续供应泥浆。
[0022] 优选的，所述步骤5中调节单位时间内的送水量，所述旋流液面边缘连线形成平面至漏斗底部的距离是液面边缘至漏斗底部距离的2/3。
[0023] 其次，本发明提出一种使用地下水监测井动水旋流填料方法的填料设备，该设备包括监测井孔、送水泵、供液池、送水管、投料漏斗、投料导管、井管、
阀门、护壁管、抽水泵、抽水管和填料顶面测量仪；
[0024] 所述井管口径小于监测井孔的口径，放在所述监测井孔里，包括滤水管和护壁管，所述井管与井管之间用丝扣连接；
[0025] 所述供液池，包括送水泵室、泥浆池和清水池；所述送水泵室与泥浆池和清水池通过阀门进行连通，所述阀门将所述泥浆池的泥浆或者是所述清水池的清水放入到泵室内；
[0026] 所述投料导管由包括多段导管，所述导管与导管之间用丝扣连接，所述投料导管下入在所述监测井井孔和所述井管之间的空隙中，用于往所述井管与井孔之间填充砾料或粘土球；
[0027] 所述导管上端安装所述投料漏斗，所述投料漏斗
侧壁上开有送水口，所述送水口与所述送水管连接；
[0028] 所述送水管的另一端与所述送水泵连接，所述送水泵将所述送水泵室的泥浆通过所述送水管泵入投料漏斗；
[0029] 所述抽水泵和所述抽水管相连接，下入到所述监测井孔内，所述抽水泵将所述监测井孔内的泥浆抽到所述泥浆池；
[0030] 所述填料顶面测量仪用于测量填料顶面高度。
[0031] 优选的，所述填料顶面测量仪，包括
支架、把手、
线轴、测量
探头、线缆、蜂鸣器、指示灯和
电池；
[0032] 所述线轴为中空圆柱体，可围绕所述支架上的水平轴转动；所述把手固定在所述线轴一侧的环状面上，用以转动所述线轴并收放所述
电缆并把所述线缆缠绕在所述线轴上；所述电池安装在线轴侧面；所述蜂鸣器和指示灯串连到所述线缆上；所述线缆由带有刻度的正负两根子缆组成，正子缆的第一端与电池的正极相连，负子缆的第一端与电池的负极相连；
[0033] 所述测量探头包括一级重锤和二级重锤；所述一级重锤的上端有金属的负极
端子和套在所述负极端子外侧的负极端子绝缘壳，所述负极端子通过
焊接的方式与线缆负极
接口的第一端连接，所述线缆负极接口的第二端与穿过所述负极端子绝缘壳的所述负子缆的第二端连接；所述二级重锤为中空的柱状体，固定在所述电缆中部，所述二级重锤下端有中空的移动端子，通过所述移动端子与所述一级重锤的负极端子绝缘壳以滑动的方式连接，所述移动端子的下端有线缆正极接口和限制阀，所述限制阀用于使所述移动端子不会与所述负极端子绝缘壳脱离；所述电缆穿过所述二级重锤和所述移动端子，所述电缆的正子缆的第二端穿过所述移动端子与线缆正极接口连接，所述电缆的负子缆的第二端穿过所述负极端子绝缘壳与所述线缆负极接口的第二端连接；
[0034] 当测量仪悬空在井下，所述测量探头未
接触到料面时，所述测量探头与所述电池形成的
电路未接通，处于一种断电的状态，所述电路中没有
电流通过，蜂鸣器不响，指示灯也不亮；当所述测量探头的一级重锤接触到料面时，所述一级重锤则停止了下沉的趋势，所述二级重锤仍然在重力的作用下下沉，压迫所述移动端子下行，所述移动端子下行后带动所述线缆正极接口下行，当所述线缆正极接口与所述负极端子接触后，整个电路形成一个回路，线缆中有电流通过，这时蜂鸣器响，指示灯亮，从而判断探头已经到达料面，读取线缆上的刻度即可得料面高度。
[0035] 优选的，通过所述送水口的所述投料漏斗边缘切线要与所述漏斗边缘形成30度的
角度。
[0036] 与
现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0037] 该发明与以往静水填方法不同，采用动水填方法。所述抽水泵下入所述滤水管内进行抽水，使井孔内呈现一种
负压状态；所述导管将砾料和粘土球导流到指定位置；所述送水泵从地面的水箱里
抽取泥浆，注入投料漏斗形成旋流，旋流的作用是使砾料或粘土球处于运动状态，防止砾料或粘土球静止时沉淀在漏斗内，造成漏斗堵塞。当旋流进入导管内时，也会促使管内的水流处于一种旋转的状态，这种状态也可以带动砾料或粘土球处于旋转的状态，这种旋转状态加强了砾料或粘土球下沉的动力，防止砾料或粘土球在井壁与井管之间的空隙堆积，进而堵塞空隙，同时可以使砾料或粘土球在环孔内均匀填充，保证了成井
质量。由于抽水形成的负压力场与旋流形成的
正压力场
叠加，砾料或粘土球在环孔内的运动大大加强，使砾料或粘土球填充质量保障率大幅提高。
附图说明
[0038] 附图1为本发明
实施例的旋流填料设备构成示意图；
[0039] 附图2为本发明实施例的旋流填料流程示意图；
[0040] 附图3为本发明实施例的旋流形成与高度控制示意图；以及
[0041] 附图4为本发明实施例的填料顶面高度测量仪示意图。
[0042] 图中：
[0043] 1.送水泵；2.供液池；3.送水管；4.投料漏斗；5.进水口；6.投料导管；7.砾料或粘土球；8.滤水管；9.护壁管；10.抽水泵；11.泥浆；12.抽水管；13.隔水层；14.含水层；15.监测井孔；16.供液池内的泥浆池；17.供液池内的清水池；18.供液池内的泵室；19.供液池内泥浆池的阀门；20.供液池内清水池的阀门；21.通过送水口的漏斗边缘切线；22.漏斗边缘切线与送水管的夹角；23.漏斗内的旋流；
[0044] 301.漏斗中形成旋流；302.旋流液面边缘连线所形成的平面；303.漏斗内形成漏斗形液面；304.旋流液面边缘连线所形成的平面至漏斗底部的高度；
[0045] 401.把手；402.指示灯；403.蜂鸣器；404.线缆；405.测量探头；406.线轴；407.电池；409.线缆负极接口；410.线缆正极接口；411.移动端子；411.负极端子；412.负极端子绝缘壳；414.一级重锤；415.二级重锤。
具体实施方式
[0046] 以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0047] 附图1为本发明实施例的旋流填料设备构成示意图，该设备包括监测井孔15、送水泵1、供液池2、送水管3、投料漏斗4、送水口5、投料导管6、滤水管8、护壁管9、抽水泵10、供液池内泥浆池的阀门19、供液池内清水池的阀门20、填料顶面测量仪和抽水管12。监测井建设前要先钻一个监测井孔15，为了保护监测井孔15稳定，要在监测井孔15里下入井管，井管包括滤水管8和护壁管9，每根井管长10m，井管与井管之间用丝扣连接。井管的口径小于监测井孔15的口径。为了保证井管与含水层之间的连通性，隔绝不同深度含水层之间的连通，需要在井管与井孔之间填充砾料或粘土球7，所以井管与井孔之间需要有空隙。为了保证填料的准确性，在空隙中下入投料导管6，投料导管6由多跟导管连接而成，每根导管长2m，导管与导管之间用丝扣连接。投料导管6上端安装一个投料漏斗4，投料漏斗4与投料导管6用丝扣形式连接。为了在漏斗内形成旋流23，在投料漏斗4侧壁上开有送水口5。与送水口5连接的是送水管3，送水口5与送水管3以焊接的形式连接。送水管3的另一端与送水泵1连接。送水泵1与供液池2以丝扣的形式连接，通过送水泵1将泵室18内的泥浆或者清水泵入投料漏斗4。抽水泵10和抽水管12用丝扣相连接。抽水泵10从监测井孔15内抽出并处理后的泥浆11。供液池2分为三个部分，包括送水泵室18、泥浆池16和清水池17，利用供液池内泥浆池的阀门19和清水池的阀门20可以将泥浆或者是清水放入到泵室18内，通过送水泵1将泥浆或者清水泵入投料漏斗4。泥浆池16内的泥浆来自抽水泵10从监测井孔15内抽出并处理后的泥浆11。
[0048] 本实施例中井管直径为146mm，监测井的直径为300mm。砾料7的直径为2-4mm，投料导管6的直径以大于等于砾料7直径的20倍为标准，本实施例中为80mm。投料漏斗4的直径为300mm，送水口5的直径为20mm，送水管3的直径与送水口5直径相同，也为20mm，滤水管8直径为146mm。
[0049] 填料顶面测量仪包括支架、把手401、线轴406、测量探头405、线缆404、蜂鸣器403、指示灯402和电池407。线轴406为中空圆柱体，线轴406的外径为300mm，内径为200mm。可围绕支架上的水平轴转动，通过把手401可以把线缆404缠绕在线轴406上面。线缆404上面有刻度，精确到毫米。线缆404的长度可以定做成100m、200m等多种规格。线缆404由正负两根子缆组成，正子缆的第一端与电池的正极相连，负子缆的第一端与电池的负极相连。电池407为普通的1号
碱性电池，电池安装在线轴406侧面。测量探头405包括一级重锤414和二级重锤415。一级重锤414和二级重锤415由密度较大的不锈
钢制成，直径为50mm的圆柱体。一级重锤414的上端有金属的负极端子412和套在负极端子412外侧的负极端子绝缘壳413，负极端子412通过焊接的方式与线缆负极接口409的第一端连接，线缆负极接口409的第二端与穿过负极端子绝缘壳413的线缆负子缆的第二端连接；二级重锤415为中空的柱状体，固定在线缆中部，二级重锤415下端有中空的移动端子411，通过移动端子411与一级重锤414的负极端子绝缘壳413以滑动的方式连接，移动端子411的下端有线缆正极接口410和限制阀，限制阀用于使移动端子411不会与负极端子绝缘壳413脱离；线缆穿过二级重锤415和移动端子411，线缆的正子缆的第二端穿过移动端子411与线缆正极接口410连接，线缆的负子缆的第二端穿过负极端子绝缘壳413与线缆负极接口409的第二端连接；蜂鸣器403和指示灯402串连到线缆上。当测量仪悬空在井下，未接触到料面时，测量探头405与电池形成的电路未接通，处于一种断电的状态，电路中没有电流通过，蜂鸣器403不响，指示灯402也不亮。
当测量探头405的一级重锤414接触到料面时，一级重锤414则停止了下沉的趋势，二级重锤
415仍然在重力的作用下下沉，就会压迫移动端子411下行。移动端子411下行后就会带动线缆正极接口410下行，当线缆正极接口410与负极端子412接触后，整个电路已经形成一个回路，线缆中有电流通过。这时蜂鸣器403就会响，指示灯402也会亮，从而判断测量探头已经到达料面。读取线缆上的读数即可知料面的高度是多少。
[0050] 本实施例中，动水旋流填砾过程如图2所示，包括以下具体步骤：
[0051] 步骤1，根据钻井和测井参数，确定含水层14和隔水层13的位置和厚度。含水层14一般为砂层，隔水层13一般为粘土层。含水层14与隔水层13一般相间分布。含水层14与隔水层13与当地的地质条件有关，含水层14与隔水层13在每个井都不同，需要通过钻井过程中的取样结果和电测井方法来确定。
[0052] 步骤2，根据滤水管8外径、钻孔口径、含水层14厚度获得砾料用量。根据护壁管9外径、钻孔口径、隔水层13厚度获得粘土球用量。
[0053] 如果井孔半径为R，滤水管8半径为r，需要填充砾料7井段长度为L，则需要填充的砾料7体积V等于井孔与滤水管8之间环孔的容积V，即：
[0054] V＝π×(R2-r2)×L (1)
[0055] 为了使砾料7不堵塞投料导管6，每次获得好1.5m环孔需要的填充量。如果监测井孔15直径为300mm，则半径为150mm。滤水管8直径为146mm，则半径为73mm，投砾段长度为1.5m。则该井段需要的投砾量为0.008m3，因此，在填充前，需要准备好0.008m3的砾料7。
[0056] 粘土球的用量获得方式与砾料用量的获得方式相同。
[0057] 步骤3，利用送水泵1加压，把泥浆11从泥浆池16里注入到井筒，然后再从井筒回到泥浆池16，使泥浆在井筒和泥浆池16之间循环，同时往泥浆池16里加水，使泥浆11的粘度逐渐降低。因为不能一次性降低粘度，需要循序渐进，所以要多次循环。循环井内泥浆11，将泥浆粘度调整到一定水平，以既能保证井局壁稳定性，又能最大限度的保证砾料或粘土球7的下沉为标准。井内泥浆是保障孔壁稳定的重要条件。泥浆粘度大，则砾料或粘土球填入时受到的
浮力就大，下沉速率慢，影响填料效率；泥浆粘度小，则监测井孔15的侧壁容易坍塌。根据大量的工程经验统计，当泥浆粘度为17秒时为最佳条件。泥浆粘度可以用泥浆
粘度计来测量，测量结果以秒为单位。
[0058] 步骤4，将投料导管6从滤水管8与监测井孔15之间的环孔内下到指定位置，然后在投料导管6上端安装投料漏斗4；投料漏斗4连接送水管3，送水管3与供液池2相连；该供液池2分为三个部分，其一是送水泵室18，其二是泥浆池16，其三是清水池17，利用供液池内泥浆池的阀门19和清水池的阀门20可以将泥浆或者是清水放入到泵室18内，通过送水泵1将泥浆或者清水泵入投料漏斗4。泥浆池16内的泥浆来自抽水泵10从监测井孔15内抽出并处理后的泥浆11。投放砾料时，泥浆11的粘度不会受的影响，通过投料导管6把泥浆11和砾料7混合后导入环孔内。如果投放粘土球，因为粘土球与泥浆11混合后会发生水化现象，即粘土球表面会被泥浆11溶解掉，从而增大泥浆的粘度。当粘度增大到一定程度后，就会影响砾料或粘土球7的下沉。所以，在投料过程中要不断的观测泥浆的粘度，测到泥浆粘度大于等于20秒时，则可以打开供液池中水池的阀门，使水与泥浆混合，降低泥浆的粘度。当泥浆粘度达到17秒时，则可以停止供水，继续供应泥浆。
[0059] 在井下安装抽水泵10，并将抽水泵10下入到井管内的指定位置，抽水管12与泥浆池相连。抽水泵10下入滤水管8所在位置进行抽水。抽水泵10的抽水量可通过控制输入电流来控制。填料过程中，抽水泵10的抽水量要与井口投料漏斗4所连接的送水管3的送水量相等。抽出的泥浆经过过滤、沉淀处理后，再进入到供液池2内的泥浆池16，循环使用。
[0060] 步骤5，打开送水泵1向投料漏斗4中送入泥浆，在投料漏斗4中形成旋流。要在投料漏斗4内形成旋流，送水口5不能与投料漏斗4边缘垂直，通过送水口的漏斗边缘切线21要与漏斗边缘形成一定的角度，漏斗边缘切线与送水管的夹角22一般为30度。这样，从送水口5送出的水流可在漏斗边缘形成旋流23。考虑在地转偏向力作用下，北半球的水流在自然条件形成的旋流是呈逆
时针旋转的，所以本发明所控制的旋流也是逆时针方向的。
[0061] 当送水管3向投料漏斗4送水时，在投料漏斗中形成旋流301，如图3所示，旋流液面边缘连线所形成的平面302至漏斗底部的高度304为H米。旋流达到一定转数后就会在漏斗内形成漏斗形液面303。调节单位时间内的送水量，当液面底部至漏斗底部的距离是液面边缘至漏斗底部距离H的2/3时，认为旋流达到最佳状态。此时，可以向漏斗内投入砾料或者粘土球。
[0062] 步骤6，判断监测井的井底是含水层14还是隔水层13，如果井管底部为含水层则填充砾料，如果井管底部为隔水层，则填充粘土球；
[0063] 步骤7，根据步骤6判断的结论，往投料漏斗4中送入泥浆11的同时送入砾料或者粘土球，具体包括以下步骤：
[0064] 步骤71，保持适当的填料速率。填料速率是保障砾料和粘土球能够顺利入井的重要参数，速率过快容易造成填料的拥堵，填料速率过慢会降低填料效率。在本实施例中，填料的速率控制在2-4m3/h。填料过程中，粘土球沿投料漏斗4边缘均匀的倒入漏斗中，使粘土球随着旋流一起进入到投料导管6中。
[0065] 步骤72，打开抽水泵10抽水。当向环孔内投料时，由于料的体积占据了泥浆11的体积，一部分多余的泥浆11会从环孔进入滤水管，并从滤水管8向井口溢流，另一部分多余的泥浆11会从环孔中由下向上流动，最后从井口溢出。由于泥浆密度和粘度较大，在上升过程中受到重力、粘滞力以及井管的摩擦阻力，上升速度会受到较大的影响。为了减少泥浆的上升阻力，促进泥浆在井孔内的上升趋势，在滤水管8内下入抽水泵10进行抽水。抽水泵10抽水量与送水泵1送入的泥浆11量要相等，从而维持井孔内泥
浆液面稳定，避免由于井内泥浆11液面过低而造成井孔坍塌。
[0066] 步骤73，为了保证砾料或者粘土球能够均匀的填充在环孔内，在填料过程中投料导管6要围绕井管做均匀的往复圆周运动，直到填料结束。只所以要做往复的圆周运动，是因为受抽水管12的阻挡，投料导管6不可能做完全的圆周运动。当投料导管6运动到抽水管12处时，然后反向运动，再次到达抽水管时，再做反向运动，直到填料结束。
[0067] 步骤74，砾料填充过程中，在导管内下入如附图4所示的填料顶面深度测量仪，阶段性地利用深度测量仪测量料面高度，确认料面填充达标后，将导管上提2m，然后再填充粘土球。测量
频率根据隔水层的厚度确定，每填充5m测量一次。如果填充达标，则可以继续填充。如果发现填充不均匀，则通过控制导管的位置来纠正填充效果。
[0068] 步骤75，如果料面高度已经达到当前隔水层或者含水层顶部的高度，则更换填料种类；
[0069] 步骤8，重复步骤7直到填料至监测井井口后，填料过程结束。
[0070] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种
变形和改进，均应落入本发明
权利要求书确定的保护范围内。
