廖云平++董平++彭海游+++文光菊

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.054

摘 要：重慶市紅層找水民心工程有效緩解了缺水區(qū)約698.6萬農(nóng)村分散居民的飲用水困難。隨著機(jī)井使用年限的增長，井底沉砂不斷淤積導(dǎo)致井內(nèi)出水量逐年減少，為解決該問題本文提出了沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)并進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，得到了沉砂筒高度、沉砂筒質(zhì)量以及空壓機(jī)氣閥開度與洗井效果相關(guān)性較強(qiáng)以及最優(yōu)沉砂筒直徑為110mm，最優(yōu)空壓機(jī)氣閥開度為2/3和最優(yōu)沉砂筒高度不小于80cm的有益結(jié)論。

關(guān)鍵詞：紅層機(jī)井 井底沉砂 洗井 重慶

中圖分類號(hào)：TU99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（a）-0054-04

重慶市紅層找水工程實(shí)施以來累計(jì)打井276373口，解決了100多萬人飲水困難問題。然而根據(jù)多年紅層找水工作經(jīng)驗(yàn)，人們往往注重機(jī)井開采施工技術(shù)和成井質(zhì)量，而對(duì)機(jī)井維護(hù)缺乏重視，導(dǎo)致大量機(jī)井在使用2年以上便出現(xiàn)了井底沉砂淤積、滲流管道堵塞、出水量和出水速度減少、水質(zhì)變差等問題，嚴(yán)重影響了紅層區(qū)機(jī)井的正常使用，開展紅層機(jī)井洗井維護(hù)工作已勢在必行。

目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)紅層淺機(jī)井做過大量科學(xué)研究[1]。在機(jī)井使用功能退化機(jī)理方面，機(jī)井出水量逐年減小的主要原因在于濾水管和滲流通道產(chǎn)生物理堵塞與化學(xué)堵塞所造成[2]；除上述原因外淺層機(jī)井出水量減小的原因還包括成井后清洗不徹底導(dǎo)致井底沉砂淤積、井壁泥皮附著從而堵塞了有效滲流管道[3]。在紅層淺機(jī)井洗井技術(shù)方面，目前主要有高壓射流洗井、化學(xué)劑洗井、壓風(fēng)機(jī)洗井、液態(tài)二氧化碳洗井和活塞洗井等技術(shù)[4]，同時(shí)有學(xué)者總結(jié)提出掏砂洗井清淤法與聯(lián)合洗井清淤法，其中掏砂清淤法主要有掏砂管清淤、撈砂管清淤，聯(lián)合洗井清淤法主要有單泵循環(huán)大降深抽水、雙泵清淤、串聯(lián)雙泵洗井清淤、泥漿泵與空壓機(jī)聯(lián)合清淤等方法[2]；除上述常規(guī)洗井技術(shù)外，有學(xué)者研發(fā)了一類新型固體燃?xì)庀淳?，利用該洗井器可一定程度上提高了洗井效率，增?qiáng)洗井工藝的輕便快捷性，縮短施工周期[5]。

上述各類洗井技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，比如：空壓機(jī)洗井和二氧化碳洗井存在洗井費(fèi)用高、設(shè)備安裝和操作流程復(fù)雜，較適用于砂礫層地層；活塞洗井和水泵洗井歷時(shí)較長，施工工藝復(fù)雜，較適用于砂巖地層；而化學(xué)洗井和固體燃料洗井則存在原材料運(yùn)輸和攜帶不便以及可能對(duì)地下水產(chǎn)生二次污染等問題。

重慶市紅層淺機(jī)井具有分布范圍廣，數(shù)量多，位置零散的特點(diǎn)，部分機(jī)井交通極其不便且周邊缺乏充灃的地表水源，上述各項(xiàng)客觀限制條件使得重慶市紅層區(qū)淺機(jī)井洗井技術(shù)必須同時(shí)具備洗井設(shè)備輕巧以方便運(yùn)輸和搬運(yùn)，洗井所用材料需獲取方便快捷，洗井時(shí)間短且費(fèi)用低，洗井效果良好等特點(diǎn)。為解決上述問題，本文采用沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)并通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用開展了重慶市紅層區(qū)淺機(jī)井洗井技術(shù)試驗(yàn)研究。

1 沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)主要利用空壓機(jī)產(chǎn)生高壓氣流將井底沉積的泥砂沖散，同時(shí)在高壓氣體作用下，迫使沖散后的泥砂水體通過沉砂筒與井內(nèi)壁之間的通道往上流動(dòng)，當(dāng)流過沉砂筒后由于過流面積增大，水體流速降低，從而導(dǎo)致其攜帶泥砂的能力降低，在泥砂通過狹窄通道時(shí)主要以高速水流主導(dǎo)，當(dāng)水流流速降低后泥砂便以自重為主導(dǎo)，從而在自重作用力下掉頭向下沉積在沉砂筒內(nèi)，最后將沉砂筒提出井外，實(shí)現(xiàn)了井底沉砂打撈的目的，同時(shí)該技術(shù)在利用空壓機(jī)沖洗時(shí)井內(nèi)氣體在往上運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)引起井內(nèi)水體產(chǎn)生紊動(dòng)，含氣水體的紊動(dòng)效應(yīng)會(huì)與井壁間產(chǎn)生相互摩擦和震蕩，從而達(dá)到清洗井壁風(fēng)化泥砂和殘積泥皮的效果，實(shí)現(xiàn)一定程度疏通井壁滲流通道的目的。

1.2 影響因素分析

運(yùn)用沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)洗井效果影響因素主要包括沉砂筒直徑、沉砂筒高度、沉砂筒質(zhì)量和空壓機(jī)性能4個(gè)方面。

沉砂筒直徑大小直接影響到沉砂筒與井壁周邊的過流面積和泥砂有效沉積面積，沉砂筒直徑越大，過流面積越小，有效沉積面積則越大，反之則越??；沉砂筒越高單次沉砂容量越大，但泥砂過流長度增加使得部分泥砂可能出現(xiàn)反流，無法有效沉積到筒內(nèi)；沉砂筒質(zhì)量越大，越有利于沉砂筒在自重作用下不斷往深部沖洗，但會(huì)在一定程度上增加提升沉砂筒的困難；空壓機(jī)性能主要表現(xiàn)在產(chǎn)氣量和工作壓強(qiáng)兩方面，產(chǎn)氣量和壓強(qiáng)越大時(shí)越有利于將井底沉砂沖散，含氣水流的紊動(dòng)效應(yīng)越明顯，對(duì)井壁的摩擦和震蕩越充分，但會(huì)在一定程度上影響沉砂的有效沉積，原因在于泥砂沉降需要較為穩(wěn)定的環(huán)境。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

基于沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)，為進(jìn)一步分析和量化沉砂筒直徑、高度、質(zhì)量以及空壓機(jī)性能對(duì)洗井效果的影響，尋找出較憂的沉砂筒尺寸特征，本文進(jìn)行了基于沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井技術(shù)室內(nèi)模型試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)主要研究沉砂筒直徑、高度、質(zhì)量以及空壓機(jī)性能對(duì)洗井效果的影響，故針對(duì)上述四類影響因素，擬定的試驗(yàn)工況見表1，每類工況沖洗時(shí)間為5min，停機(jī)后沉積時(shí)間為1min，其中沉砂筒質(zhì)量的增加是通過往筒內(nèi)增加相應(yīng)質(zhì)量碎石所實(shí)現(xiàn)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)重慶市紅層機(jī)井竣工資料，機(jī)井套管以尺寸為170mm，套管以下基巖段機(jī)井尺寸為130mm，本次試驗(yàn)為便于觀察洗井現(xiàn)象，采用直徑為130mm，長度為2m的有機(jī)玻璃管模擬機(jī)井基巖段。通過野外紅層機(jī)井調(diào)查發(fā)現(xiàn)紅層機(jī)井內(nèi)沉積的泥砂直徑平均約0.05～0.1mm，屬于粉砂～細(xì)砂類，本次用于模擬井底沉砂的材料是通過采用孔徑為0.25mm的篩網(wǎng)篩分出的石英砂，同時(shí)為模擬機(jī)井內(nèi)泥巖風(fēng)化產(chǎn)物，在石英砂內(nèi)添加有5%的粘土顆粒，粘土顆粒和石英砂在有機(jī)玻璃管內(nèi)的填充長度為0.8m，沉砂段以上灌滿清水，水位標(biāo)高1.8m，整個(gè)模型用膨脹螺絲穩(wěn)固在墻上，如圖2所示。endprint

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

根據(jù)擬定工況要求，本次試驗(yàn)共制作了6個(gè)沉砂筒，直徑分別為90mm（高度50cm）、100mm（高度50cm）、110mm（高度30cm、50cm、80cm）和120mm（高度50cm），筒底部封閉，中間穿過一根直徑為12mm的鋼管，鋼管通過高壓軟管與空壓機(jī)連接用于向井內(nèi)輸送高壓氣流；試驗(yàn)所用的空壓機(jī)為小型空壓機(jī)，最高氣壓為0.8MPa，產(chǎn)氣量為0.12m3/min，如圖3所示。

試驗(yàn)前先按要求連接好各設(shè)備，并進(jìn)行密閉性檢查，待一切正常后按工況要求開啟空壓機(jī)并把氣閥開關(guān)設(shè)置為指定位置，將沉砂筒勻速放進(jìn)有機(jī)玻璃管內(nèi)，讓沉砂筒在自重作用下沉到底部，此時(shí)開時(shí)計(jì)時(shí)，5min后關(guān)閉空壓機(jī)并讓吹散的泥砂自然沉降1min，緩慢提出沉砂筒并用刻度尺量取筒內(nèi)沉砂段頂面到沉砂筒頂端的長度進(jìn)而通過換算得到打撈的沉砂體積；重復(fù)上述過程，直至完成各工況試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過11組室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖7，各工況下洗井效果通過沉砂筒打撈沉砂體積大小來量化計(jì)算。

從圖4試驗(yàn)結(jié)果可看出，沉砂筒打撈沉砂體積隨著沉砂筒直徑呈先增加后減小的趨勢，當(dāng)沉砂筒直徑為110mm時(shí)，在其他各影響因素相同的情況下所打撈的沉砂體積最多，表明通過模型試驗(yàn)所得到的最優(yōu)的沉砂筒直徑為110mm；從整體曲線變化趨勢上分析，在直徑小于110mm前，沉砂筒有效沉積面積對(duì)最終沉積體積占主要影響因素，在超過最優(yōu)直徑后過流面積則逐漸成為影響最終沉積體積的主導(dǎo)因素，該試驗(yàn)結(jié)果與本文1.2節(jié)中的分析結(jié)論較為吻合，但從最終四類工況所打撈的沉砂體積上分析，各工況間相差較小，表明沉砂筒直徑在90～120mm間對(duì)最終沉砂打撈體積的影響較小。

從圖5中可看出，沉砂筒打撈沉砂的體積隨沉砂筒高度的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，由于工況數(shù)量偏少，試驗(yàn)未能得出最優(yōu)的沉砂筒高度值，但從三類工況條件下所得到的最終沉砂體積可看出，沉砂筒高度對(duì)最終沉砂打撈體積的影響較大，兩者間的相關(guān)性較強(qiáng)，同時(shí)還可得到，最優(yōu)沉砂筒高度應(yīng)不小于80cm。

從圖6中可看出，沉砂筒打撈沉砂的體積隨沉砂筒質(zhì)量的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，但增幅有所減小，由于工況數(shù)量偏少，試驗(yàn)未能得出最優(yōu)的沉砂筒質(zhì)量值，但從三類工況條件下所得到的最終沉砂體積可看出，沉砂筒高度對(duì)最終沉砂打撈體積的影響較大，兩者間的相關(guān)性較強(qiáng)，表明沉砂筒越重，其在自重作用下對(duì)井底沉砂的吹散作用更充分。

從圖7中可看出，最優(yōu)的空壓機(jī)氣閥開度為2/3，當(dāng)開度過小或全開時(shí)均會(huì)對(duì)最終沉砂打撈效果產(chǎn)生副作用，當(dāng)開度太小時(shí)，出氣量太小導(dǎo)致無法有效沖散井底泥砂并將泥砂輸送到筒口以上；當(dāng)全開時(shí)，從試驗(yàn)過程中可發(fā)現(xiàn)整個(gè)沉砂筒內(nèi)水氣流紊動(dòng)現(xiàn)象極為強(qiáng)烈，沉砂筒頂部以上部含砂水體不停地作翻滾運(yùn)動(dòng)，此時(shí)泥砂受紊動(dòng)水流影響僅少部分沉積到筒內(nèi)，大部分泥砂在筒壁與井壁間的過流斷面內(nèi)做著往返運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）通過沉砂筒-空壓機(jī)聯(lián)合洗井室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了沉砂筒直徑、沉砂筒高度、沉砂筒質(zhì)量以及空壓機(jī)氣閥開度四類的主要影響因素與洗井效果間的量化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，洗井效果對(duì)沉砂筒直徑不敏感，而其他三類影響因素與洗井效果相關(guān)性較強(qiáng)。

（2）室內(nèi)模型試驗(yàn)最終得到最優(yōu)沉砂筒直徑為110mm，最優(yōu)空壓機(jī)氣閥開度為2/3以及最優(yōu)沉砂筒高度不小于80cm。

（3）本文的不足之處在于未能通過試驗(yàn)得出最優(yōu)沉砂筒高度及最優(yōu)沉砂筒質(zhì)量，后期將對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，同時(shí)將基于模型試驗(yàn)結(jié)果，選取紅層機(jī)井進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

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