貼礫過濾器在水井工程中的應(yīng)用

1、現(xiàn)狀與問題

　　目前,國內(nèi)地下深層水資源開發(fā)利用的主要手段是鉆井工程,其中取水段過濾器形式有纏絲、籠狀、縫隙、橋式等。在河南的水井工程中最早使用的是纏絲和籠狀過濾器,最近幾年在深井工程施工中普遍選擇橋式過濾器,在300 m以內(nèi)的淺井施工中大多使用纏絲過濾器。其普遍存在的問題是:水井工程質(zhì)量難以保證(主要出現(xiàn)涌砂問題)、成井口徑大、成本高、效率低、工人勞動強(qiáng)度大、井管容易腐蝕破裂、適用范圍小等。具體比較見表1。

　　盡管幾年來各種過濾器不斷反復(fù)使用,但是仍沒有從根本上解決水井的涌砂、成井速度低、事故頻繁等問題。有些施工隊(duì)伍為了解決水井的涌砂問題,在 施工設(shè)計(jì)和具體操作中通過增大鉆井口徑(增加填礫厚度)的辦法來防止涌砂。雖然有一定效果,但無疑也增加了設(shè)備磨損和負(fù)荷,鉆井周期和事故發(fā)生率也同時增 大,無論是在經(jīng)濟(jì)效益方面還是在工人勞動強(qiáng)度方面都是得不償失的。20世紀(jì)70年始,地質(zhì)礦產(chǎn)部大力推廣使用貼礫濾水管,但由于產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)和生產(chǎn) 工藝等方面原因,致使這項(xiàng)技術(shù)一直未推廣應(yīng)用。其主要問題是:

　　(1)貼礫層強(qiáng)度低、塑性差,安裝使用時容易破損或掉塊;

　　(2)生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成本高;

　　(3)材料選擇和礫料級配不合理,在一些細(xì)顆粒地層成井時仍不能防止涌砂;

　　(4)受傳統(tǒng)觀念束縛,創(chuàng)新意識差。

　　上述幾方面的原因束縛和了技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。針對這些情況和問題,我們從1995年開始對傳統(tǒng)的鉆井和成井工藝及技術(shù)進(jìn)行研究和創(chuàng)新。大膽采用 新產(chǎn)品和新技術(shù),一方面進(jìn)行貼礫過濾器研制和地?zé)?深)井成井工藝試驗(yàn),另一方面繼續(xù)進(jìn)行橋式過濾器成井工藝的創(chuàng)新。通過幾年的實(shí)踐證明:貼礫過濾器在水 井工程中應(yīng)用具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和前景。

　2、貼礫濾水管應(yīng)用實(shí)例

　　從1995年開始,我們對容易出現(xiàn)涌砂和成井效率低、事故頻繁的河南鄭州、開封及安徽等地的細(xì)顆粒地層進(jìn)行了貼礫過濾器應(yīng)用和有關(guān)技術(shù)、工藝的生產(chǎn)性試驗(yàn),其成果顯著,其中包括在舊井處理工程、地?zé)?深)井工程、普通供水井工程中的應(yīng)用。

　　2.1　開封地?zé)峋こ虒?shí)例

　　2.1.1　地層及鉆井特點(diǎn)

　　地層主要由粉細(xì)砂、細(xì)砂、粘土等組成。鉆井過程中上部或中部地層遇水后常發(fā)生坍塌、縮徑、吸鉆等問題,明顯的特征是地面塌陷、投礫時濾料不到位或“架橋”等。

　　2.1.2　鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　井深1200 m;井徑:0~150 m為450 mm,150~1200 m為311 mm;管徑:0~150 m為273 mm,150~1200 m為159 mm;選擇Φ159/200 mm貼礫濾水管。成井結(jié)構(gòu)見圖1,貼礫濾水管見圖2。

　　2.1.3　成井工藝

　　鉆井—沖孔換漿—下管—固井—洗井—抽水試驗(yàn)。

　　2.1.4　工期

　　總工期35天。其中鉆井24天,安裝2天,沖孔換漿1天,下管固井2天,洗井1天,抽水試驗(yàn)3天,輔助時間2天。

　　2.1.5　成井質(zhì)量及參數(shù)

　　成井質(zhì)量完全滿足合同及有關(guān)技術(shù)要求,水清砂凈,水質(zhì)符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。水量Q>50 t/h,水溫T=50℃。

　　2.2　效益分析與對比

　　2.2.1　鉆井效率

　　傳統(tǒng)的成井工藝必須在鉆孔后再擴(kuò)孔,采用貼礫過濾器成井則無須擴(kuò)孔,僅用Φ450 mm和Φ311mm鉆頭一次成井。工藝流程上減少了擴(kuò)孔、二次沖孔換漿、投礫3道工序,可大大提高鉆井效率。同樣技術(shù)條件和地層情況下,與橋式過濾器成井相比可縮短工期10~20天。

　　2.2.2　鉆井成本

　　傳統(tǒng)工藝擴(kuò)孔時需配備Φ550 mm和Φ450 mm鉆頭各2~3個,每個深1000 m左右的水井工程其鉆頭費(fèi)用增加2萬元;施工期間人員工資、設(shè)備折舊、管理費(fèi)、水電費(fèi)等費(fèi)用約為1500元/天;由于傳統(tǒng)的工藝施工周期長,故增加 1.5~3萬元的綜合費(fèi)用。若采用貼礫過濾器成井工藝,每眼千米地?zé)嵘罹晒?jié)約費(fèi)用3.5~5萬元。盡管貼礫過濾器的每米成本高于橋式過濾器,但是,與傳 統(tǒng)的方法相比卻省去了礫料購置和運(yùn)輸費(fèi),同時縮小了鉆井口徑和施工工期,在綜合成本上還是經(jīng)濟(jì)合算的。

　　2.2.3　設(shè)備負(fù)荷與事故發(fā)生率

　　傳統(tǒng)的成井工藝,由于鉆井口徑大和頻繁起下鉆具,勢必增加了設(shè)備的負(fù)荷和扭矩,容易加速局部零件磨損和鉆桿的疲勞破壞,井內(nèi)事故率也大大提高。統(tǒng)計(jì)表明:傳統(tǒng)的成井工藝設(shè)備維修和事故處理所發(fā)生的費(fèi)用平均每個井在5000~20000元。

　　綜上所述,選擇新的成井材料和技術(shù)方法有顯著的優(yōu)勢和特點(diǎn),它在確保工程質(zhì)量的情況下,可以大大提高鉆井效率,降低成本和工人勞動強(qiáng)度。

3、貼礫過濾器的防腐作用

　　3.1　金屬井管腐蝕類型

　　金屬井管普遍存在的問題之一是腐蝕穿孔,特別是在環(huán)境生態(tài)和地下水逐年惡化的條件下,金屬井管由于腐蝕速度過快,致使水井使用壽命急劇下降。 如:河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院地?zé)峋㈤_封蔚氏棉麻公司地?zé)峋?、鄭州柳林溫泉地?zé)峋?、鄭州污水處理廠地?zé)峋榷际窃谑褂貌坏?年就出現(xiàn)井管腐蝕穿孔問題。金屬井管 腐蝕類型主要有以下幾種。

　　3.1.1　溶解氧濃度差腐蝕

　　由井內(nèi)溶解氧濃度不同而引起的腐蝕。一般情況下,井內(nèi)0~動水位以下30 m溶解氧濃度最高,以下200 m居中,井底溶解氧濃度最低。由于在同一井內(nèi)的溶解氧濃度不同,則可形成濃度差電池,從而發(fā)生氧化還原反應(yīng)。所有水井都存在該類型的腐蝕。

　　3.1.2　應(yīng)力腐蝕

　　由于應(yīng)力存在而引起的腐蝕。井管焊接時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力、下管時的拉應(yīng)力、地層的壓應(yīng)力、濾水管加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力等都能引起應(yīng)力腐蝕。

　　3.1.3　磨損腐蝕

　　由于濾水管進(jìn)水時,水流對孔隙處產(chǎn)生一定的沖擊作用,在沖擊作用下,孔隙逐漸腐蝕增大。當(dāng)流速過高和含砂量大時,其磨損腐蝕加劇。

　　3.1.4　縫隙(垢下)腐蝕

　　當(dāng)井內(nèi)存在膠結(jié)物或沉淀時,則發(fā)生縫隙(垢下)腐蝕。膠結(jié)物或沉淀與腐蝕相輔相成,二者同時存在。膠結(jié)物或沉淀越多,腐蝕速度越快。

　　3.1.5　選擇性腐蝕

　　井管材料不一時,形成原電池而產(chǎn)生的腐蝕。如:渡鋅橋式濾水管、纏絲濾水管等,其材料不同(電極電位不同),則可產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。

　　3.1.6　穿孔腐蝕

　　當(dāng)?shù)叵滤新入x子和硫酸根離子含量高時,則引起穿孔腐蝕。

　　上述幾種類型的腐蝕幾乎同時存在,也就是說金屬井管不是單一的腐蝕,而是多種類型的聯(lián)合腐蝕。并且,其腐蝕速度與溫度成正比關(guān)系。這一點(diǎn)也說明了地?zé)峋芨g速度過高的原因。

　　3.2　貼礫過濾器防腐機(jī)理

　　貼礫過濾器的外層是由LL-2高分子材料和濾料加工制成,并有較高的抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度。即便是襯管存在局部腐蝕或穿孔,但外層不存在腐蝕問題。所以,地層中的泥沙不會因此進(jìn)入井內(nèi)而造成涌砂或污染。

4、貼礫過濾器特點(diǎn)

　　綜上所述,貼礫過濾器主要具有以下特點(diǎn):

　　(1)縮小鉆井口徑、減少成井工序、減少設(shè)備磨損和負(fù)荷,從而提高了設(shè)備的使用壽命和鉆井工程效率;

　　(2)解決了投礫厚薄不均和投礫過程中的顆粒分選問題;

　　(3)可在地?zé)峋?、舊井處理、斜井(或定向井)、水平輻射井等工程中應(yīng)用,從而拓寬了適用范圍和領(lǐng)域;

　　(4)具有防腐作用;

　　(5)可降低鉆井綜合成本和工人的勞動強(qiáng)度。

5、展望與建議

　　上述的分析和實(shí)際應(yīng)用說明:貼礫過濾器可有效提高水井使用壽命,具有廣闊的應(yīng)用前景。為此,結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況和現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題,進(jìn)行新型貼礫過濾器的研制和開發(fā)勢在必行。具體建議:

　　(1)各級領(lǐng)導(dǎo)和部門重視技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)、新產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作;

　　(2)貼礫過濾器的制造工藝和材料選擇還需進(jìn)一步研究和創(chuàng)新;

　　(3)貼礫過濾器輔助產(chǎn)品有待于開發(fā)和配套;

　　(4)產(chǎn)品制造中的環(huán)境問題亟待解決;

　　(5)設(shè)計(jì)與配方實(shí)行優(yōu)選法或計(jì)算機(jī)信息處理。