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        洗井增水處理技術(shù)探討

        2016-07-05 08:47:04商丘市農(nóng)水技術(shù)和水土保持監(jiān)測指導(dǎo)站
        河南水利與南水北調(diào) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:處理技術(shù)

        □任 方(商丘市農(nóng)水技術(shù)和水土保持監(jiān)測指導(dǎo)站)

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        洗井增水處理技術(shù)探討

        □任方(商丘市農(nóng)水技術(shù)和水土保持監(jiān)測指導(dǎo)站)

        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

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