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        關(guān)于水文地質(zhì)水井鉆探工程中新型自動解垢過濾器的分析研究

        2018-09-06 07:41:44湯鳳林沈中華段隆臣
        鉆探工程 2018年7期
        關(guān)鍵詞:磁場強(qiáng)度磁化結(jié)垢

        湯鳳林, 沈中華, 段隆臣, 彭 莉, Чихоткин В.Ф.

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉,湖北 武漢 430074; 2.無錫鉆探工具廠有限公司,江蘇 無錫 214174)

        0 引言

        水文地質(zhì)鉆探、水井鉆探是鉆探工程的一個分支,是鉆探工程的重要組成部分。近年來,隨著水資源需求量的增加和生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提高,服務(wù)范圍更為廣泛,水文地質(zhì)、水井鉆探工程顯得更為重要、更為突出。

        在水文地質(zhì)、水井鉆探工程的成井工藝中,要求將含水層(目的層)中的水能夠經(jīng)過疏通自由地進(jìn)入井內(nèi);要求封閉或隔離非目的層,以防止地下含水層的水互相串通或污染含水層。疏通目的層,通常是對準(zhǔn)目的層安裝過濾器,通常稱之為濾水管。成井工藝中,很多工藝問題都是圍繞過濾器展開的。

        在水文地質(zhì)成井和使用過程中,常見過濾器腐蝕結(jié)垢,直接影響井眼進(jìn)水量和抽水效果。過濾器腐蝕是指安裝在井內(nèi)的過濾器,由于化學(xué)作用而使過濾器管材遭受蝕耗而破壞;結(jié)垢是指管材表面上沉淀一層膠結(jié)層,具有一定的強(qiáng)度,甚至在其周圍形成膠結(jié)帶。多數(shù)情況下,腐蝕和膠結(jié)同時發(fā)生,常常會直接導(dǎo)致過濾器乃至水井的報廢。最新統(tǒng)計表明,金屬腐蝕結(jié)垢對國民經(jīng)濟(jì)造成的損失是很大的,美國國際標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)調(diào)查表明,美國一年因金屬腐蝕而造成的損失高達(dá)700億美元,還不包括地下金屬井管的腐蝕所造成的損失。如果把后者考慮在內(nèi),則其造成的損失將會更大[1-11]。

        1 對過濾器的基本要求

        (1)具有最大的進(jìn)水面積,以減少地下水經(jīng)過時遇到的阻力。過濾器阻力越小,地下水在此流速變化越小,發(fā)生結(jié)垢的可能性越小,因此可以延長過濾器的使用年限。

        (2)具有足夠大的機(jī)械強(qiáng)度,可以滿足安裝過濾管時的負(fù)荷和抵抗地層的壓力。

        (3)具有最大限度的抗腐蝕能力和不因過濾器被腐蝕而影響對水質(zhì)的衛(wèi)生要求。

        (4)具有良好的濾水、擋砂能力,過濾孔眼不易被地層中的物質(zhì)堵塞。

        (5)安裝方便,成本低廉,取材容易,等等。

        2 常用過濾器的類型

        過濾器的類型很多,不同地層使用不同的過濾器。主要類型有[2]:

        (1)骨架式過濾器,是在各種材料的井管上用鉆孔、模壓、焊割、銑切等方法,開有圓孔或條縫作為進(jìn)水通路。這種過濾器的類型通常有圓孔式過濾器(見圖1)、條縫式過濾器(見圖2)、筋條式過濾器(見圖3)。

        圖1 圓孔式過濾器

        (2)纏絲過濾器(見圖4),是在骨架過濾器(管)外纏以金屬絲而成。金屬絲的斷面可以是梯形、圓形或三角形,以梯形為好。纏絲時,梯形上底向內(nèi),下底向外,使濾水孔斷面成V形。

        (3)包網(wǎng)過濾器(見圖5),與纏絲過濾器相同,只是在外表不是纏絲,而是包以濾網(wǎng)的過濾器。

        (4)礫石過濾器(見圖6),選取合適的礫石并充填于骨架管和含水層之間,形成一個人工礫石過濾層,以增大水井的過濾半徑。

        圖2 條縫式過濾器

        圖3 筋條式過濾器

        圖4 纏絲過濾器

        (5)貼礫過濾器(見圖7),在骨架外將礫料、粘合劑、石膏等物質(zhì),按一定比例在模具里加壓、固化而成。

        (6)玻璃鋼過濾器(見圖8),是采用熱固性樹脂浸漬玻璃纖維、機(jī)械繞纏一次成型的過濾器,濾水孔眼是玻璃纖維架橋式結(jié)構(gòu)。

        (7)塑料過濾器(見圖9),具有成本低、成型快和適應(yīng)性好等特點(diǎn)。

        圖5 包網(wǎng)式過濾器

        圖8 玻璃鋼過濾器

        在農(nóng)田灌溉水井中,還使用石棉水泥過濾器、水泥礫石過濾器、爐渣水泥過濾器等,其主要特點(diǎn)是制造容易、成本低廉,但是質(zhì)量大。

        圖9 塑料過濾器

        3 過濾器使用中遇到的問題

        過濾器使用中遇到的主要問題是腐蝕和結(jié)垢。腐蝕是指安裝在井內(nèi)的管材,在外加因素的作用下,主要是由于化學(xué)作用而使管材遭腐蝕而破壞。結(jié)垢是指在管材表面沉淀一個膠結(jié)層,這個膠結(jié)層具有一定強(qiáng)度,甚至在其周圍形成一個膠結(jié)帶。多數(shù)情況下,腐蝕和結(jié)垢同時發(fā)生。這是一個錯綜復(fù)雜的過程,與地下水含有的離子有關(guān),也與管材的材質(zhì)和加工結(jié)構(gòu)有關(guān)。

        化學(xué)腐蝕主要是由于管材在地下水中發(fā)生了離子交換作用。與管材發(fā)生化學(xué)作用的物質(zhì)主要有:氧、二氧化碳、硫化氫、鹽酸、氯和硫酸等,其中氧最活躍,可以形成2Fe2O3、2CaO、2MgO、2Al2O3等。這些生成物與水中的[OH]-1進(jìn)一步反應(yīng)生成復(fù)雜的[Fe(OH)]K,可以形成膠結(jié)沉淀物。

        地下水常常含有二氧化碳和重碳酸鹽,高壓時溶于水中。抽水時,濾水管附近形成低壓區(qū),失去原來的壓力平衡,二氧化碳以氣態(tài)逸出,使水中的碳酸氫鈣轉(zhuǎn)化為碳酸鈣,以沉積方式堆積在濾水管的周圍,影響過濾層的孔隙,使進(jìn)水面積減小,壓頭損失增高,壓力差更大,會使過濾層很快報廢。

        硫化氫對金屬的腐蝕作用,稱為氫脆,可以引起管材金屬脆裂。

        4 自動解垢過濾器[12-15]

        這是俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)發(fā)明的一種新型裝有磁鐵的過濾器,取得了俄羅斯發(fā)明專利。

        4.1 過濾器的組成

        該過濾器的組成(見圖10)包括有:由非磁材料聚乙烯或丙烯制成并帶有孔眼的骨架管、過濾水套、支撐部分、繞絲、支柱型墊圈和接頭。在帶有孔眼的骨架管上,裝有環(huán)狀永久磁鐵,是過濾器的對中件,永久磁鐵之間有一定距離。過濾器水套上的繞絲有內(nèi)層和外層,由相同剖面、相同非磁材料卡普綸(聚己丙酰胺纖維)繩制成。繞絲內(nèi)層每圈之間有一定距離,繞絲外圈每圈之間比較緊密。接頭分為上接頭和下接頭。過濾器配有沉淀室,沉淀室與下接頭和位于過濾器下部的沖洗閥連接。環(huán)狀永久磁鐵之間的距離,根據(jù)過濾器的直徑、磁場的矯頑力和強(qiáng)度確定。

        1-骨架管;2-過濾水套;3-支撐部分;4-繞絲;5-支柱型墊圈;6-接頭;7-環(huán)狀永久磁鐵;8-繞絲內(nèi)層;9-繞絲外層;10-上接頭;11-下接頭;12-沉淀室;13-沖洗閥

        繞線的內(nèi)層各圈剖面的形狀為梯形或波浪形,小頭繞在帶有孔眼的骨架管上。繞線的外層各圈剖面的形狀為波浪形或呈人造布網(wǎng)狀剖面。

        墊圈和繞線的內(nèi)層用來增加過濾器的多孔性。繞線的外層用來過濾通過過濾器的水和阻砂。

        4.2 過濾器工作原理

        水是由一個帶負(fù)電的氧離子和兩個帶正電的氫離子組成的。由于氫和氧分布不對稱,所以在接近氧原子的一端形成負(fù)極,接近氫原子的一端形成正極,成為偶極分子。巖土與水接觸時,組成結(jié)晶格架的鹽類離子,被水分子帶相反電荷的一端所吸引。當(dāng)水分子對離子的引力足以克服結(jié)晶格架中離子間的引力時,離子脫離晶架,被水分子包圍,溶入水中。

        實(shí)際上,當(dāng)?shù)V物鹽類與水溶液接觸時,同時發(fā)生兩種方向相反的作用:溶解作用和結(jié)晶作用。前者使離子由結(jié)晶格架轉(zhuǎn)入水中,后者使離子由溶液中固著于晶體格架上。隨著溶液中鹽類離子的增加,結(jié)晶作用加強(qiáng),溶解作用減弱。當(dāng)同一時間內(nèi),溶解和結(jié)晶的鹽量相等時,溶液達(dá)到飽和。不同鹽類,結(jié)晶格架中離子間的吸引力不同,因而具有不同的溶解度。

        見圖10,當(dāng)水通過繞絲的水套時,被永久磁鐵磁化。當(dāng)磁力線穿過水時,磁場對水的偶極施加定向磁化作用,硬鹽的陽離子不是析出在過濾器的表面上,而是析出在通過過濾器的水中。利用這種新型過濾器,依靠永久磁鐵產(chǎn)生的磁場作用,使結(jié)垢沉積物析出于水中,而不是過濾器表面上,起到了自動解垢的作用,過濾器中使用天然磁鐵是個創(chuàng)新。

        4.3 磁鐵性能分析及其選擇[13]

        研制出了磁化系統(tǒng),見圖11。

        1-永久磁鐵(ПМ);2-聚氯化乙烯管;3-干式酸劑溶液;a-永久磁鐵高度;b-永久磁鐵厚度;h-兩個永久磁鐵間的距離

        對磁鐵進(jìn)行了模擬。永久磁鐵的結(jié)構(gòu),根據(jù)對現(xiàn)有類型磁鐵的分析和初步模擬結(jié)果,選用了帶有4個磁極的永久磁鐵結(jié)構(gòu)作為磁化系統(tǒng)的基礎(chǔ)(見圖12)。

        在選用位于上下安排的兩個磁鐵的磁極布置時,一定要考慮保證它們的相互作用,以便不僅保證在永久磁鐵內(nèi)徑內(nèi)的溶液內(nèi)產(chǎn)生磁場,還要保證在沒有磁鐵的濾管部分內(nèi)產(chǎn)生磁場(見圖13)。圖內(nèi)的虛線表示的是永久磁鐵兩個磁極間的閉合磁流線。

        對磁鐵材料進(jìn)行了模擬。在模擬永久磁鐵材料時,考慮了2種方案:

        圖12 永久磁鐵中磁極的布置

        圖13 磁鐵N、S磁極的相對布置圖

        第一種方案是使用NdFeB(釹-鐵-硼)磁鐵,這是一種稀土磁鐵,其特點(diǎn)是磁性強(qiáng)和價格低。其缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性較低,非常容易腐蝕。為了克服此缺點(diǎn),在NdFeB(釹-鐵-硼)磁鐵上涂覆了鋅、鎳、銅或這些材料的組合。

        第二種方案是使用SmCo(釤-鈷)合金,這種合金具有非常好的磁性性能,即具有很高的剩磁感應(yīng)性能,很大的嬌頑力和很高的溫度穩(wěn)定性,在腐蝕過程中還有很好的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是價格高、脆性大。

        4.4 磁場強(qiáng)度及其與兩個電極間距離的關(guān)系

        對磁場強(qiáng)度與上下兩個磁鐵距離的關(guān)系,進(jìn)行了計算研究,見圖14和圖15[13]。

        1-計算范圍的邊界;2-水;3-聚乙烯管;4-永久磁鐵

        磁場強(qiáng)度在穿過磁化系統(tǒng)的YZ平面上的分布用不同顏色表示。兩個磁鐵之間的距離h=150 mm,磁場在水中兩個磁鐵間的的強(qiáng)度H≥89.3 kA/m。

        1-計算范圍的邊界;2-水;3-聚乙烯管;4-永久磁鐵

        磁場強(qiáng)度在穿過磁化系統(tǒng)的YZ平面上的分布用不同顏色表示。兩個磁鐵之間的距離h=50 mm,磁場在水中兩個磁鐵間的的強(qiáng)度H≥196 kA/m。

        磁場強(qiáng)度Hn計算結(jié)果見表1。

        表1 磁場強(qiáng)度Hn計算結(jié)果[13]

        圖16是斷面為a=70 mm和b=70 mm的NiFeB35合金永久磁鐵磁場強(qiáng)度Hn和兩個磁鐵間距h的關(guān)系Hn(h)曲線圖。

        圖16 磁場強(qiáng)度與磁鐵間距的關(guān)系圖

        4.5 實(shí)驗(yàn)研究得到的結(jié)果[12-15]

        (1)利用安裝在過濾器骨架上的永久磁鐵,可以使進(jìn)入水文地質(zhì)鉆孔中的水被磁化,方法簡單、有效。

        (2)對水進(jìn)行磁化處理,應(yīng)該在水被極性變化的磁場磁力線垂直作用下流動時進(jìn)行。

        (3)磁化處理的效果取決于水的性質(zhì)、水的濃度、硬度、溫度、pH值,也與磁化處理的條件有關(guān),即與兩個磁鐵間的磁場強(qiáng)度、水流穿過的磁極對數(shù)、水流速度有關(guān)。其中一個參數(shù)的變化,會導(dǎo)致其它參數(shù)最優(yōu)值的變化。

        (4)為了保證水中磁場強(qiáng)度H最大,永久磁鐵的尺寸的規(guī)格應(yīng)該最大,即a=70 mm、b=70 mm,兩個永久磁鐵間的距離h應(yīng)該最小。

        (5)可以使用SmCo28合金或帶有防腐涂敷的NiFeB35合金,作為制作永久磁鐵的材料。

        (6)為了保證位于非磁材料(聚乙烯)制成的管內(nèi)的水中,兩個NiFeB35合金永久磁鐵之間的磁場強(qiáng)度H不低于H1=87.5 kA/m,兩個磁鐵間的距離h不應(yīng)超過h1=150 mm。

        (7)為了保證在兩個NiFeB35合金永久磁鐵之間的磁場強(qiáng)度H不低于H2=175 kA/m,兩個磁鐵間的距離h不應(yīng)超過h2=60 mm。

        (8)為了保證在兩個SmCo28合金永久磁鐵之間的磁場強(qiáng)度H不低于H1=87.5 kA/m,兩個磁鐵間的距離h不應(yīng)超過h3=130 mm。

        (9)為了保證在兩個SmCo28合金永久磁鐵之間的磁場強(qiáng)度H不低于H2=175 kA/m,兩個磁鐵間的距離不應(yīng)超過h4=50 mm。

        5 討論和建議

        根據(jù)上述資料,可以做如下討論和建議。

        (1)隨著水資源需求量的增加和生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提高,水文地質(zhì)鉆探和水井鉆探工程顯得非常重要。在其成井和抽水過程中,必須使用不同類型的過濾器(濾水管),所以過濾器成了上述鉆井工程中的重要器具。

        (2)過濾器使用中,常常見到的問題是管材腐蝕結(jié)垢,直接影響井眼進(jìn)水量和抽水效果,甚至導(dǎo)致過濾器和井眼報廢。所以過濾器的類型、性能和使用效果是非常重要的技術(shù)指標(biāo),應(yīng)該引起我們的注意。

        (3)俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)Третьяк А.Я.教授等多年從事水文地質(zhì)和水井鉆探方面的工作,積累很多經(jīng)驗(yàn),發(fā)明的自動解垢過濾器,使用永久磁鐵,對水產(chǎn)生磁化作用,解決了過濾器腐蝕結(jié)垢問題。這是一項(xiàng)專利技術(shù),取得了俄羅斯發(fā)明專利,專利號為2478775[16-20]。

        (4)這項(xiàng)技術(shù)提供了建議使用磁鐵的型號、安置的位置,給出了磁化系統(tǒng)圖,指出了磁場強(qiáng)度與上下兩個磁鐵距離的關(guān)系,為我們試驗(yàn)研究自動解垢過濾器創(chuàng)造了有利條件。

        (5)上述自動解垢過濾器,雖然目前尚無形成產(chǎn)品推廣使用,但是利用對水的磁化作用,來解決過濾器腐蝕和結(jié)垢問題,在思路上是個創(chuàng)新,具有一定的理論意義和實(shí)用價值。

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