張慶平,楊軍平，李學(xué)軍

（1.寧夏地質(zhì)工程院，寧夏銀川750001；2.寧夏礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川750021）

供水井因其結(jié)構(gòu)不合理、施工工藝存在缺陷或使用維護(hù)不當(dāng)，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)各種故障，影響其功能的正常發(fā)揮，如何較好地對(duì)故障井進(jìn)行修復(fù),延長(zhǎng)其使用壽命,充分發(fā)揮現(xiàn)有機(jī)井的作用,降低地下水開(kāi)發(fā)利用成本,是廣大水文地質(zhì)工作者普遍關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 淤積故障類(lèi)型及原因分析

1.1 淤積故障類(lèi)型

出砂和淤積砂埋是供水井最常見(jiàn)的故障類(lèi)型，機(jī)井淤積有兩類(lèi)，在已建成的機(jī)井中普遍存在。一類(lèi)是人為原因造成的淤積。第二類(lèi)是過(guò)濾器化學(xué)結(jié)垢、過(guò)濾層或含水層出現(xiàn)機(jī)械堵塞,造成濾水結(jié)構(gòu)淤塞。

1.2 原因分析

（1）設(shè)計(jì)原因：濾水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,如過(guò)濾器縫隙過(guò)大；

（2）施工工藝原因：濾料粒徑過(guò)粗或級(jí)配不合理、濾料搭蓬，孔徑偏小造成過(guò)濾層厚度偏薄、或井眼偏斜導(dǎo)致井管局部與井壁發(fā)生貼靠；井管破損、濾網(wǎng)及濾水管破損、沉淀管底部張開(kāi)、濾水管及過(guò)濾層堵塞等情況，均可導(dǎo)致在抽水工況下井內(nèi)大量進(jìn)砂；

（3）使用維護(hù)原因：地面水(洪水)灌入井內(nèi)或人為將磚、石、雜物等填入井中造成井內(nèi)淤積。

第一類(lèi)井內(nèi)淤積故障，可通過(guò)加強(qiáng)供水井的設(shè)計(jì)、施工管理和運(yùn)行管理來(lái)予以預(yù)防；第二類(lèi)濾水結(jié)構(gòu)的淤塞,不是人為因素,而是自然條件下形成的，則要通過(guò)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。

2 淤積形成機(jī)理及清淤工作原理

2.1 淤積形成機(jī)理

供水井抽水運(yùn)行過(guò)程中，地層中的泥砂隨水流進(jìn)入井內(nèi)，其中部分泥砂隨水流返出井口，部分在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)并沉入井底。如果井內(nèi)液流不能將泥砂全部帶至地面，井內(nèi)將不斷產(chǎn)生淤積沉淀，砂柱逐漸增高，掩埋下部含水層、堵塞含水層或過(guò)濾器的滲流通道，同時(shí)也增加了地下水的流動(dòng)阻力，造成供水井出水量減小，使其不能充分發(fā)揮供水效能。

2.2 清淤工作原理

沖砂清淤是用高速流動(dòng)的液體將井底淤積物沖散，在泥漿循環(huán)作用的攜帶下，將沖散的泥砂帶出地面，從而達(dá)到清除井底積砂的目的。

沖砂清淤時(shí)為使攜砂漿液將泥砂帶到地面，流體在井內(nèi)上返速度必須大于最大直徑的砂粒在攜砂液中的下沉速度，一般推薦速度比大于或等于2，計(jì)算式為：

式中：V砂——沖砂時(shí)砂粒的上升速度，m/min；

V液——沖砂時(shí)攜砂液的上返速度，m/min；

V降——砂粒在靜止沖砂液中的自由沉降速度，m/min；

V液實(shí)——保持砂粒上升的最低攜砂液流速，m/min。

可由下式求出沖砂時(shí)所需的泥漿泵最低排量：

式中：A——沖砂液上返流動(dòng)的截面積，m2。

在固定排量下沖砂，砂粒從井底上升到地面所需要的時(shí)間為：

式中：H——井深，m；

Q泵——沖砂時(shí)實(shí)際泵入排量，m3/min。

3 清淤方法及技術(shù)措施

對(duì)于出砂淤積故障機(jī)井進(jìn)行處理，一定要詳細(xì)查清供水井的井身結(jié)構(gòu)、地層情況、出水情況，分析判定出砂的原因和準(zhǔn)確位置，方可采取有針對(duì)性的技術(shù)措施進(jìn)行清淤處理。供水井井內(nèi)淤砂情況不同應(yīng)采用不同的處理方法。常用清淤法有撈砂筒清淤法、空壓機(jī)沖洗清淤法、泥漿泵清淤法、雙泵清淤法、氣舉反循環(huán)清淤法等。

3.1 撈砂筒清淤法

撈砂清淤時(shí)，首先應(yīng)了解井內(nèi)淤積情況，井管是否完整無(wú)損。如有破損、斷裂、脫落等需先進(jìn)行修復(fù)，然后進(jìn)行撈砂清淤作業(yè)。如井內(nèi)落有磚石瓦塊或其他異物的，則要預(yù)先進(jìn)行打撈清除。

撈砂筒選用直徑108～146mm的鋼管，加工成長(zhǎng)度1.5～2.0m的提筒，上部聯(lián)接提引環(huán)或鉆桿接頭，底部進(jìn)砂口有活門(mén)擋砂板(或擋砂圓球，見(jiàn)圖1)，制成撈砂筒。

圖1 撈砂筒示意圖

撈砂筒清淤法即傳統(tǒng)的重力撈砂。作業(yè)時(shí)，撈砂筒上部用鉆桿或鋼絲繩連接，底部進(jìn)砂口設(shè)有活門(mén)擋砂板。清淤時(shí)下放撈砂筒，至淤積面時(shí)，反復(fù)提落，沖擊淤砂，使淤砂體受到攪擾進(jìn)入撈砂筒內(nèi)。然后將撈砂筒提出井外，倒出管內(nèi)積砂。反復(fù)操作，直至井內(nèi)淤砂掏盡。此法操作簡(jiǎn)單，但清淤效果一般，不適用于井深較大、井底積砂較多、淤積嚴(yán)重、孔壁因坍塌出現(xiàn)失穩(wěn)及孔內(nèi)有其他較大落物的供水井。

如果淤積物頂面有磚石等塊狀落物，需使用圖2所示的撈石筒或使用旋挖鉆筒進(jìn)行撈取。筒體總長(zhǎng)度1000mm，筒體直徑小于套管內(nèi)徑6～8mm，撈石筒底部設(shè)置鋼絲繩限位防跑裝置（見(jiàn)圖2），即在筒體內(nèi)距底部30～40mm排列鋼絲，徑向排距50～60mm。

如果淤積物中混有塊狀落物，為提高工作效率，可采用圖2所示的多功能打撈筒對(duì)淤積物和石塊同步進(jìn)行打撈。用鉆具連接多功能打撈筒并下放至淤積面，開(kāi)泵循環(huán)泥漿并回轉(zhuǎn)，即可將淤砂沖起，當(dāng)停泵后，水中懸浮物在重力作用下通過(guò)上開(kāi)口或天窗沉入淘砂筒內(nèi)，而較大的塊狀物則進(jìn)入打撈筒下部，從底部鋼絲繩間隙中擠入筒內(nèi)并受到鋼絲繩約束，達(dá)到快速清淤撈物的目的。

上述方法適用于不同深度的供水井，采用活門(mén)擋沙板撈砂筒時(shí)采用鉆具或鋼絲繩連接均可，但在使用撈石筒時(shí)需用鉆具連接并循環(huán)漿液，方可完成清淤打撈。

圖2 多功能打撈筒示意圖

3.2 環(huán)式撈砂筒混合清淤法

對(duì)于井內(nèi)淤積物僅為沉砂者，可直接用鉆具連接撈砂筒，撈砂筒開(kāi)口向上，與前述撈砂筒基本類(lèi)似（見(jiàn)圖3）送入淤積深度，開(kāi)泵將高壓水沖入井底的淤積物位置，使沉淀物充分懸浮，然后停泵，在重力作用下，被高壓擾動(dòng)而懸浮的淤積物再次快速沉淀，并落入上部開(kāi)口的撈砂筒內(nèi)，然后提出井口予以清除，如此重復(fù)作業(yè)，直至井內(nèi)沉淀物完全清除。

此工藝適用于不同井徑、井深、液位的供水井，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。該法可適用于不同深度的供水井，但必須用鉆具連接撈砂筒并循環(huán)漿液。注意撈砂時(shí)漿液循環(huán)時(shí)間不得過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)間斷循環(huán)，撈砂筒的深度要隨淤積面做及時(shí)調(diào)整，并同時(shí)回轉(zhuǎn)鉆具。每次循環(huán)時(shí)間不超過(guò)5min，防止因井內(nèi)液面升高液柱壓力增大導(dǎo)致漿液中懸浮的砂粒再次進(jìn)入過(guò)濾器或過(guò)濾層的孔隙中，堵塞進(jìn)水通道，使出水量減小。

3.3 泥漿泵清淤法

泥漿泵清淤是采用大流量泥漿泵進(jìn)行清淤。井內(nèi)用鉆桿連接，鉆桿底部最前端安裝一個(gè)射流水槍?zhuān)畼屪旖佑|淤層面。開(kāi)泵送水，通過(guò)噴槍射出，將淤砂沖動(dòng)，淤砂隨著上涌水流沖出地面。隨著清水不斷壓入井內(nèi)，鉆具不斷下落，直至井底。

該法適用于井徑較小、深度較淺的供水井。對(duì)于深度較大的供水井，因漿液循環(huán)行程較長(zhǎng)，清淤作業(yè)時(shí)井內(nèi)漿液上返時(shí)雖有較好的攜砂效果，但在液柱壓力作用下，漿液中攜帶的部分砂粒將通過(guò)過(guò)濾器孔隙再次進(jìn)入過(guò)濾層及含水層孔隙中，影響了洗井效果，造成供水井出水量減小。因此，井深越大或井內(nèi)淤積物粒徑越粗則受上述影響更加明顯，故此法適用于井深較淺的供水井清淤。

圖3 環(huán)狀打撈筒示意圖

3.4 雙泵清淤法

雙泵清淤法的原理是一臺(tái)泵向井底供水沖砂，另一臺(tái)泵自井內(nèi)向外抽水排砂，利用高壓水槍把井管內(nèi)的淤砂沖起與水混合抽出，如此反復(fù)循環(huán)直至淤砂排完為止。沖砂泵可選用高揚(yáng)程清水泵或泥漿泵，沖砂管前端裝收縮式圓錐形管嘴并緊靠淤積面。利用潛水電泵產(chǎn)生的高壓射流將井內(nèi)的沉淀物沖起，經(jīng)抽水泵排出井口。隨著孔內(nèi)淤積物深度逐漸降低，將供水管不斷加深，直達(dá)井底預(yù)定深度，達(dá)到清除井內(nèi)淤積的目的。抽砂泵選用反循環(huán)離心泵或砂石泵均可，抽砂泵管口要盡可能接近于沖砂泵管口，才能有效地吸取懸浮濃度最高的砂泥，提高清淤排砂效率，并能有效防止懸浮的泥砂在重力作用下再次進(jìn)入管外或含水層中。

對(duì)于直徑較大和較深的管井，采用雙泵清淤法效果更好，效率更高。此法由于抽排的井水中含有大量泥砂，對(duì)水泵及軸套的磨損較為嚴(yán)重，且易使水泵電機(jī)燒壞，維修保養(yǎng)成本較高。

3.5 空壓機(jī)清淤法

空壓機(jī)清淤法適用于井深較深，安裝有井管的供水井。對(duì)于裸眼成井或淺部未進(jìn)行止水的供水井，由于孔壁的穩(wěn)定性較差或可能出現(xiàn)管外返水，故不宜采用直接對(duì)口抽（直接將風(fēng)管下入孔內(nèi)，孔壁作為出水管）的方法進(jìn)行吹砂（或洗井）。

空壓機(jī)清淤時(shí)應(yīng)將送風(fēng)管與出水管配合使用，即用一根鋼管（4寸）下入井內(nèi)，底口距淤積面0.3m左右，再將一根送風(fēng)管插入出水管內(nèi)（或與出水管相連接），風(fēng)管底部連接水氣混合器，混合器高于鋼管底口3m左右，井口出水口處安裝水氣分離裝置。向孔內(nèi)送入壓縮空氣，使水氣充分混合，由于氣水混合物比重小于1，在大氣壓作用下，井水通過(guò)出水管底口進(jìn)入出水管并上返至地面排出，從而將井內(nèi)的淤積物攜帶出井口。隨著孔內(nèi)淤積物深度逐漸降低，將出水管不斷加深，直達(dá)井底預(yù)定深度，達(dá)到清除井內(nèi)淤積的目的。次法要求供水井有足夠的出水量及水柱高度，否則需向井內(nèi)注入清水方可連續(xù)進(jìn)行。空壓機(jī)清淤作業(yè)時(shí)，由于井內(nèi)蓄積了大量的高壓氣體，在管口剛出水瞬間，井內(nèi)安裝的管材設(shè)備會(huì)受到較大的震動(dòng)及沖擊力，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行徹底固定，防止井管損壞。同時(shí)要測(cè)試水氣分離器的性能，減輕出水的沖擊力。

空壓機(jī)及吹砂清淤設(shè)備安裝時(shí)，將送風(fēng)管和出水管采用同心式或并列式均可，送風(fēng)管下入深度受空氣壓縮機(jī)額定工作壓力限制，1個(gè)工作壓力上舉水柱高度通常按10m來(lái)計(jì)算。送風(fēng)管沉沒(méi)比應(yīng)控制在0.5～0.6為宜，出水管底部應(yīng)長(zhǎng)于送風(fēng)管3m以上，風(fēng)管底部需連接一長(zhǎng)1m的水氣混合器。如果井深大于100m，則宜采用同心式安裝，出水管的長(zhǎng)度以能夠達(dá)到孔底淤積物深度為準(zhǔn)，見(jiàn)圖4。

圖4 空壓機(jī)吹砂清淤示意圖

空壓機(jī)清淤法，洗井清淤?gòu)氐?、效率高，能適應(yīng)多種井型，但是安裝維修復(fù)雜，洗井清淤成本高，一般淺井不宜使用。

3.6 泥漿泵與空壓機(jī)聯(lián)合清淤法

對(duì)于深水井或出水量較小的供水井清淤，為避免孔壁泥皮的二次形成，不宜采用比重較大的泥漿，而采用清水清淤時(shí)其攜砂清淤能力通常較差，可將泥漿泵和空壓機(jī)聯(lián)合使用。

操作方法是，從鉆桿中送入高壓水流沖洗鉆掃井底的淤積物，同時(shí)通過(guò)空壓機(jī)風(fēng)管向孔內(nèi)壓風(fēng)（控制好沉沒(méi)比），使攜有大量泥砂的井水從井口排出。如果淤積物砂礫粒徑較粗，應(yīng)調(diào)制密度稍大的泥漿加以循環(huán)，即可增強(qiáng)其攜砂能力。清淤至井底處后，向孔內(nèi)注入大量的清水，并停止泥漿泵送高壓水，配合空壓機(jī)抽水將孔內(nèi)泥漿徹底置換，達(dá)到清淤洗井目的。

此法由于涉及的管路較多，不適用于井徑較小的供水井，同時(shí)由于安裝于孔內(nèi)的管路較多，稍有不慎易發(fā)生孔內(nèi)事故，作業(yè)時(shí)應(yīng)加以注意。

3.7 氣舉反循環(huán)清淤法

3.7.1 工作原理

氣舉反循環(huán)清淤,與空壓機(jī)洗井清淤原理基本相同，是通過(guò)抽汲井內(nèi)的漿液將淤積物排至井外。由于氣舉反循環(huán)方法是將壓縮空氣通過(guò)鉆具送至氣水混合器,即壓縮空氣與鉆具內(nèi)的液體混合形成密度小于井內(nèi)液體密度的氣液混合物,在鉆具外液柱壓力的作用下氣液混合物上升,使清淤效果更好。作業(yè)時(shí)，隨著壓縮空氣的不斷送入,井內(nèi)的液體攜帶泥砂通過(guò)鉆頭進(jìn)入鉆具內(nèi),形成連續(xù)抽汲井內(nèi)漿液和巖屑、砂粉的過(guò)程,與常規(guī)的正循環(huán)清淤方法相比,施工效率大幅度地提高,而且井內(nèi)不易出現(xiàn)卡、埋事故。另外，該法作業(yè)對(duì)水井的取水層無(wú)污染、堵塞,保證了水井的出水能力。

3.7.2 技術(shù)要點(diǎn)

氣舉反循環(huán)清淤具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）由于沖洗液在鉆具內(nèi)流速較高(一般大于2m/s),所以能攜帶較大顆粒的泥砂等淤積物,清淤速度快、效果好。

（2）氣舉反循環(huán)清淤不會(huì)堵塞含水層,可有效提高水井出水量。

（3）井深小于50m時(shí),氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)不易實(shí)現(xiàn)或鉆進(jìn)效率很低。

（4）氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)需要的鉆具較復(fù)雜,鉆具重量較大。

3.7.3 注意事項(xiàng)

清淤時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）必須保證雙壁鉆具的沉沒(méi)比大于60%,尾管比(單壁鉆具長(zhǎng)度與動(dòng)水位以下的雙壁鉆具長(zhǎng)度比)應(yīng)小于10,以取得好的攜帶泥砂效果。

（2）鉆具要上緊絲扣,密封要好,特別要注意不能使用刺穿的單壁鉆具,以免形成短路循環(huán),發(fā)生燒鉆、埋鉆等事故。

（3）開(kāi)始送風(fēng)之前,鉆頭要提離井底30～50cm,防止鉆頭水眼被堵塞。待排出的漿液較清潔后,再將鉆頭緩慢下放井底。

（4）清淤時(shí),要根據(jù)返出漿液中的泥砂濃度,適當(dāng)?shù)乜刂葡裸@速度,切勿突然停止送風(fēng)。

（5）停鉆之前要將鉆頭稍稍提離井底,待漿液中基本不含泥砂時(shí)再停止送風(fēng)。

（6）要注意觀察排出漿液的情況。如漿液量變小,可能是鉆頭、鉆具內(nèi)眼發(fā)生了堵塞,或漿液中泥砂過(guò)多；如漿液中不含泥砂,可能是鉆具太短,或井底沒(méi)有泥砂,或井底泥砂顆粒較大漿液攜帶不上來(lái)。遇到這些情況,應(yīng)及時(shí)查找原因及時(shí)處理。

（7）要密切觀察空壓機(jī)的風(fēng)壓和出水口的出水量、出風(fēng)量,發(fā)現(xiàn)異常正確分析及時(shí)處理。