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洗井增水處理技術(shù)探討

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摘要：洗井增水處理技術(shù)是提高成井率、增加出水量的重要措施，是成井工藝的進(jìn)一步深化過程。洗井的目的是通過物理與化學(xué)作用，增加井眼周圍含水層的滲透性，使含水層中的水能暢通地流入井中。對于基巖井而言，可以徹底清除含水層中的巖粉和堵塞物，疏通巖石裂隙溶隙，有效擴(kuò)大進(jìn)水通道；對于松散層井，可以清除含水層中的堵塞物泥皮，恢復(fù)含水層的滲透性和孔隙率，從而有效增加出水量。

關(guān)鍵詞：洗井；增水；處理技術(shù)

0引言

洗井增水處理技術(shù)是提高成井率、增加出水量的重要措施，是成井工藝的進(jìn)一步深化過程。洗井的目的是通過物理與化學(xué)作用，增加井眼周圍含水層的滲透性，使含水層中的水能暢通地流入井中。對于基巖井而言，可以徹底清除含水層中的巖粉和堵塞物，疏通巖石裂隙溶隙，有效擴(kuò)大進(jìn)水通道；對于松散層井，可以清除含水層中的堵塞物泥皮，恢復(fù)含水層的滲透性和孔隙率，從而有效增加出水量。

洗井增水的方法較多，但最常見的洗井方法有鹽酸洗井、多磷酸鹽洗井、二氧化碳洗井、物理化學(xué)聯(lián)合洗井以及爆破洗井等方法，這些洗井方法都各有自己的特點和適應(yīng)性，詳見表1。

表1　常用洗井增水方法特點對比表

洗井增水方法的選擇正確與否，直接影響著管井涌水量的大小和壽命。在選擇洗井方法時，應(yīng)充分考慮巖石類型、井孔深度、井孔結(jié)構(gòu)、施工方式、巖芯狀況、沖洗液類型以及鉆進(jìn)過程沖洗液消耗等因素。根據(jù)多年洗井增水效果分析，以及大量的生產(chǎn)實踐總結(jié)，較為實用的洗井增水方法主要有二種，一是石灰?guī)r地層的鹽酸洗井，二是松散層中的多磷酸鹽洗井，其它方法可根據(jù)實際條件合理選用。

1石灰?guī)r地層鹽酸洗井增水

1.1鹽酸的特性

鹽酸是一種強酸，具有酸類物質(zhì)的一切通性，可與多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在石灰?guī)r地層，鹽酸可與CaCO3、MgCO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解成CaCl2、MgCl2等易溶于水的物質(zhì)，增水效果非常明顯，應(yīng)用較為廣泛；在松散層管井中，鹽酸可與過濾器的Ca、Mg氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，疏通管井過濾器，增加管井出水量。

鹽酸是化工行業(yè)的一種重要原料，來源比較容易，是各地區(qū)化工廠、化肥廠及塑料制品廠的主要產(chǎn)品或副產(chǎn)品，價格低廉。

1.2石灰?guī)r的分布與特點

石灰?guī)r是地表出露最為廣泛的碳酸鹽巖地層，約占整個陸地總面積的15%。我國石灰?guī)r出露面積有91萬km2，分布面積則達(dá)340萬km2。山東僅魯中南地區(qū)寒武、奧陶系碳酸鹽地層出露面積就達(dá)1.70萬km2，另有大面積為第四系土層覆蓋。由于巖溶作用的影響，石灰?guī)r地區(qū)的地表徑流多被轉(zhuǎn)入地下，因此在該類地區(qū)地表水缺乏，而地下水則相對富有。但由于受地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，基巖裂隙、巖溶的分布又很不均勻，有時出水量較大，有時出水量又較少，甚至成為干眼。在這種情況下，采用鹽酸進(jìn)行洗井處理，將是增加管井出水量的最為有效手段。

1.3石灰?guī)r地層鹽酸洗井的基本原理

鹽酸與石灰?guī)r類巖石進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，屬于強酸與弱堿瀚進(jìn)行的反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)的方程式如下。

在石灰?guī)r中：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+C02↑

100+72=110+18+44

在白云質(zhì)灰?guī)r中：MgCO3+2HCI=MgCl2+H2O+C02↑

84+72=94+18+44

上述方程式表明，每溶解l00g石灰?guī)r需用72gHCl（即360 g 的20%鹽酸），并產(chǎn)生44 g的CO2和ll0 g的CaCl2；每溶解l00 g的白云質(zhì)灰?guī)r則需用85.70 g的HCl（即428.60 g的20%鹽酸），并產(chǎn)生111.90 g的MgCl2和52.38 g的CO2。因此，溶解同量的CaCO3和MgCO3兩種巖石，所需的鹽酸量是不同的，相比較而言，含MgCO3（白云質(zhì)灰?guī)r）類的巖石耗酸量更大。

從鹽酸的化學(xué)性質(zhì)可看出，當(dāng)鹽酸注到井內(nèi)后，便與碳酸鈣進(jìn)行反應(yīng)，生成氯化鈣、水及二氧化碳。一方面，氯化鈣易溶解于水中，使含水層處的石灰?guī)r溶蝕、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，水的流動更為暢通；另一方面，反應(yīng)中還生成大量的二氧化碳，這些氣體在井內(nèi)水柱壓力作用下又不斷地溶解于水，當(dāng)溶解量達(dá)到一定值時，導(dǎo)致井內(nèi)的水體急劇膨脹，產(chǎn)生一定的氣體壓力，從而形成“沸騰”狀態(tài)。這種作用又可迫使鹽酸沿著含水層的溶孔、裂隙向深處侵入，使鹽酸的作用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。同時，高壓作用還迫使水體沿井身向上運動，帶著反應(yīng)物及其它鈣質(zhì)膠結(jié)物排出井外，并在一定條件下形成“井噴”現(xiàn)象。

采用鹽酸處理井孔，可使深入含水層中的溶隙、裂隙擴(kuò)充，這些又裂隙可以把那些巨大的含水構(gòu)造或距管井較近但尚沒有被鑿穿的導(dǎo)水裂隙與井眼連通起來，溝通了水力聯(lián)系，致使管井的出水量顯著加大。

1.4鹽酸與石灰?guī)r化學(xué)反應(yīng)過程

為了解鹽酸與石灰?guī)r的化學(xué)反應(yīng)速度，確定鹽酸與各類灰?guī)r進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時的最適宜酸夜?jié)舛龋旅嬉?種石灰?guī)r為例說明。

1.4.1反應(yīng)環(huán)境與方法

1.4.1.1試驗條件

試驗在常溫常壓下的室內(nèi)進(jìn)行，灰?guī)r試塊選用3 cm× 3 cm×l cm的立方體。

1.4.1.2試驗方法

配制鹽酸溶液的濃度分別為6%、8%、10%、12%、14%、16%、20%、24%、28%、31%，溶液體積為l00 ml。對同一種濃度的鹽酸將不同的6種石灰?guī)r試塊放入酸溶液中，化學(xué)反應(yīng)作用時間從開始至不產(chǎn)生氣泡為止。

1.4.2鹽酸的濃度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響

根據(jù)上述的試驗條件與試驗方法，選擇魯中南山區(qū)的中奧陶灰?guī)r、下奧陶灰?guī)r、風(fēng)山組灰?guī)r、張夏組灰?guī)r及饅頭組灰?guī)r進(jìn)行了試驗，其試驗結(jié)果見表2。

根據(jù)表中實測數(shù)據(jù)作出不同灰?guī)r單位時間內(nèi)的溶解量隨酸液濃度變化關(guān)系曲線，如見圖1所示。由圖可知，除下奧陶灰?guī)r的變化曲線外，其它五條曲線反映的石灰?guī)r單位溶解量隨酸液濃度變化規(guī)律基本一致，即酸液濃度在16%以內(nèi)，反應(yīng)速度隨濃度的增加而加快。當(dāng)酸液濃度從14%增至16%時，灰?guī)r與鹽酸溶液反應(yīng)最為劇烈。當(dāng)酸液濃度超過16%時，其化學(xué)反應(yīng)速度反有所降低。上述分析表明，鹽酸與中奧陶灰?guī)r、風(fēng)山組灰?guī)r、張夏組灰?guī)r及饅頭組灰?guī)r等6種灰?guī)r進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的適宜濃度為14%～16%。由于下奧陶灰?guī)r主要成份為MgCO3，與其它五種灰?guī)r的主要成份CaCO3有所區(qū)別，從而導(dǎo)致了曲線變化規(guī)律不一樣。從圖中曲線變化規(guī)律可知，當(dāng)酸液濃度超過10%達(dá)到12%時，其單位時間溶解量最大。當(dāng)濃度超過14%時，單位溶解量雖然仍在增加，但增加幅度有所減少，而下奧陶灰?guī)r與鹽酸溶液反應(yīng)的適宜濃度為10%～14%。

表2　鹽酸與石灰?guī)r化學(xué)反應(yīng)作用時間及溶解量對比表

從圖1中還可看出，當(dāng)鹽酸溶液濃度為14%～16%時，石灰?guī)r與鹽醵的化學(xué)反應(yīng)作用時間為4.60-6.33 h；而白云質(zhì)灰?guī)r則為5.18-7.08 h，比石灰?guī)r稍長一點。因此可以認(rèn)為，當(dāng)所洗井的含水層為石灰?guī)r時，鹽酸的作劇時間選為4-6 h；而當(dāng)所洗井的含水層為白云質(zhì)灰?guī)r時，化學(xué)反應(yīng)作用時間宜選用5-7 h。

圖1　石灰?guī)r溶解量隨酸液濃度變化關(guān)系圖

1.5鹽酸洗井增水技術(shù)的應(yīng)用

1.5.1注酸位置的確定

注酸位置是否合理、準(zhǔn)確，直接影響到洗井增水的效果，是影響洗井成功與否的關(guān)鍵因素。確定注酸位置的方法，一是依據(jù)打井巖芯裂隙發(fā)育情況進(jìn)行初步判斷，再進(jìn)一步根據(jù)測井成果確定出注酸井段。當(dāng)注酸段為多個時，應(yīng)將注酸口放在最下面的注酸段底板處。雖然酸液的比重比水的比重大，但上部水體為自由面，所以鹽酸依然自下而上運動。

大量的生產(chǎn)實踐表明，無論采用何種方法，井內(nèi)的巖石裂隙發(fā)育情況一般難于準(zhǔn)確掌握，較為有效的注酸辦法，是將地下水位以下的石灰?guī)r層段全部注滿酸液，采用全井段注酸洗井，增水效果更為可靠。

1.5.2鹽酸洗井主要設(shè)備

在石灰?guī)r地層進(jìn)行酸化洗井時，主要設(shè)備為施工鉆機，以及酸罐、輸酸管（塑料管及配件）、玻璃浮子流量計、球閥等器械。

在具體施工時，應(yīng)將酸罐放在風(fēng)向的下游方向?？蓪@桿作為井下輸酸管，使用塑料管連接酸罐與鉆桿，并在井口處安裝塑料管三通，連接到導(dǎo)氣塑料管，導(dǎo)氣塑料管應(yīng)高于井口一定高度，以防止酸液從導(dǎo)氣管溢出。

1.5.3注酸濃度和數(shù)量的確定

考慮到酸液注入到井內(nèi)后有較大的稀釋作用，注酸濃度不應(yīng)過低，一般應(yīng)在30%左右，這樣才能保證實際參加反應(yīng)的酸液濃度較為適宜。

鹽酸用量可根據(jù)井徑的大小以及洗井段的長短進(jìn)行計算，如果采用全井段注酸的辦法洗井，可按地下水位以下井孔內(nèi)的容積或整個含水層段的容積進(jìn)行計算，就可確定出實際注酸量。

鹽酸被注入到井內(nèi)，除沿井軸方向縱向擴(kuò)散外，還會沿基裂隙、溶隙進(jìn)行擴(kuò)散，特別是當(dāng)含水層裂隙較多，溶隙較大時，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的接觸面積更大，需要的用酸量也相應(yīng)地增大。由于含水層裂隙分布不均勻，多呈樹枝狀分布，因此，考慮到鹽酸橫向擴(kuò)散對注酸量的影響，可引入系數(shù)α對常規(guī)的計算方法進(jìn)行修正。根據(jù)有關(guān)野外試驗資料，修正系數(shù)α的取值范圍可選用1.00～1.70，該系數(shù)乘以計算出的注酸量，即為實際洗井時的注酸量。

1.5.4注酸速度與靜置時間

注酸速度應(yīng)適宜，過快易造成井噴，過慢則會降低反應(yīng)強度，影響洗井增水效果。根據(jù)大量生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，一般以2～3 t/h的速度注酸較好。

注酸后的洗井抽水時間，不應(yīng)短于酸液的反應(yīng)時間，一般靜置時間24 h為宜。

2松散地層多磷酸鹽洗井增水

2.1多磷酸鹽的物理化學(xué)性質(zhì)

目前常用于洗井的多磷酸鹽有六偏磷酸鈉［（NaPO3）6］、焦磷酸鈉（Na4P2O3）、三聚磷酸鈉（Na5P3O10）及磷酸三鈉（Na3PO4）等化學(xué)原料。其有關(guān)性能見表3。

2.2多磷酸鹽洗井的基本原理

多磷酸鹽洗井的基本原理，是將多磷酸鹽溶液注入井內(nèi)后，利用多磷酸鹽的分解、絡(luò)合、離子交換吸附、對泥漿的穩(wěn)定及疏導(dǎo)等作用，使粘土顆粒發(fā)生物化反應(yīng)，形成高度分散、懸浮狀態(tài)的膠體溶液。多磷酸鹽是一種絡(luò)合物，它絡(luò)合泥漿中的鈣鎂離子，促使粘土分散，又可以吸附于粘土晶體上，拆散泥漿中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使井壁松軟膨脹，致使泥皮脫落、疏通含水層，從而達(dá)到洗井的目的。

表3　多磷酸鹽物理化學(xué)性能表

2.3多磷酸鹽洗井工藝

2.3.1多磷酸鹽用量的計算

為了節(jié)省洗井中化學(xué)藥品的用量和提高洗井效果，一般只向機井的濾水管段注入多磷酸鹽洗井劑，反應(yīng)時間一般控制在8-12 h之間。多磷酸鹽用量可按下式計算：2

式中：Wd—多磷酸鹽用量（Kg）；d—洗井段范圍內(nèi)鉆孔直徑（m）；P—洗井段設(shè)計的多磷酸鹽溶液濃度，一般為5%～10%；H—洗井段長度（m）。

2.3.2多磷酸鹽洗井的主要設(shè)備與方法

采用多磷酸鹽進(jìn)行洗井，其主要設(shè)備與冼井方法，基本與鹽酸洗井工藝大同小異，在施工時，可采用鉆機設(shè)備，使用鉆桿將酸液下入預(yù)定位置即可。在使用六偏磷酸鈉及磷酸鈉時，由于其在水中溶解慢，為提高其溶解速度，需在配液時加陰離子助溶及升溫。一般可選用29%～31%濃度的鹽酸，其用量為多磷酸鹽的16%～20%即可。

2.4多磷酸鹽洗井的優(yōu)點

2.4.1增加單井出水量

試驗研究表明，使用多磷酸鹽洗井，比常規(guī)方法（空壓機一活塞洗井），其出水量一般能增加10%～19%。

2.4.2縮短輔助時間，提高效率

使用焦磷酸鈉洗井較用一般的機械方法洗井，其洗井時間一般可降低40%。

2.4.3節(jié)省清水用量

井內(nèi)注藥，待靜置反應(yīng)后，可直接向井內(nèi)送風(fēng)排漿，減少了清水用量，這對在干旱缺水地區(qū)施工時提高洗井質(zhì)量、加快成井速度，效果更為顯著。

2.4.4減少對脆性井管的損壞

對于脆性易損的混凝土、塑料、陶瓷等井管，井內(nèi)注藥以后可直接送風(fēng)排漿，不用拉活塞洗井，相對減少了井管損壞的可能性。

（責(zé)任編輯：劉青）

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：中途分類號：TE934.1A

文章編號：1673-8853（2016）05-0117-03

收稿日期：2016-03-03