| 劉志國 , 常進財 摘 要:采用傳統(tǒng)的過濾器在細顆粒地層中成井,主要問題是鉆井口徑大、成本高,并且容易出現(xiàn)投礫困難或涌砂等問題。通過工程實例,分析了貼礫過濾器的技術(shù)特點、經(jīng)濟效益以及防腐機理,理論分析和實踐證明:貼礫過濾器具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞:水井;貼礫過濾器;涌砂;腐蝕 1 現(xiàn)狀與問題 目前,國內(nèi)地下深層水資源開發(fā)利用的主要手段是鉆井工程,其中取水段過濾器形式有纏絲、籠狀、縫隙、橋式等。在河南的水井工程中zui早使用的是纏絲和籠狀過濾器,zui近幾年在深井工程施工中普遍選擇橋式過濾器,在300 m 以內(nèi)的淺井施工中大多使用纏絲過濾器。其普遍存在的問題是:水井工程質(zhì)量難以保證（主要出現(xiàn)涌砂問題） 、成井口徑大、成本高、效率低、工人勞動強度大、井管容易腐蝕破裂、適用范圍小等。具體比較見表1 。  盡管幾年來各種過濾器不斷反復(fù)使用,但是仍沒有從根本上解決水井的涌砂、成井速度低、事故頻繁等問題。有些施工隊伍為了解決水井的涌砂問題,在施工設(shè)計和具體操作中通過增大鉆井口徑（增加填礫厚度） 的辦法來防止涌砂。雖然有一定效果,但無疑也增加了設(shè)備磨損和負荷,鉆井周期和事故發(fā)生率也同時增大,無論是在經(jīng)濟效益方面還是在工人勞動強度方面都是得不償失的。20 世紀70 年代開始,地質(zhì)礦產(chǎn)部大力推廣使用貼礫濾水管,但由于產(chǎn)品的力學(xué)性能指標和生產(chǎn)工藝等方面原因,致使這項技術(shù)一直未推廣應(yīng)用。其主要問題是: （1） 貼礫層強度低、塑性差,安裝使用時容易破損或掉塊; （2） 生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成本高; （3） 材料選擇和礫料級配不合理,在一些細顆粒地層成井時仍不能防止涌砂; （4） 受傳統(tǒng)觀念束縛,創(chuàng)新意識差。 上述幾方面的原因束縛和限制了技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。針對這些情況和問題,我們從1995 年開始對傳統(tǒng)的鉆井和成井工藝及技術(shù)進行研究和創(chuàng)新。大膽采用新產(chǎn)品和新技術(shù),一方面進行貼礫過濾器研制和地熱（深） 井成井工藝試驗,另一方面繼續(xù)進行橋式過濾器成井工藝的創(chuàng)新。通過幾年的實踐證明:貼礫過濾器在水井工程中應(yīng)用具有顯著的優(yōu)點和前景。 2 貼礫濾水管應(yīng)用實例 從1995 年開始,我們對容易出現(xiàn)涌砂和成井效率低、事故頻繁的河南鄭州、開封及安徽等地的細顆粒地層進行了貼礫過濾器應(yīng)用和有關(guān)技術(shù)、工藝的生產(chǎn)性試驗,其成果顯著,其中包括在舊井處理工程、地熱（深） 井工程、普通供水井工程中的應(yīng)用。 2. 1 開封地熱井工程實例 2. 1. 1 地層及鉆井特點 地層主要由粉細砂、細砂、粘土等組成。鉆井過程中上部或中部地層遇水后常發(fā)生坍塌、縮徑、吸鉆等問題,明顯的特征是地面塌陷、投礫時濾料不到位或“架橋”等。 2. 1. 2 鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計 井深1200 m ;井徑:0～150 m 為450 mm ,150～1200 m 為311 mm ;管徑:0～150 m 為273 mm ,150～1200 m 為159 mm ;選擇?159/ 200 mm 貼礫濾水管。成井結(jié)構(gòu)見圖1 ,貼礫濾水管見圖2 。  2. 1. 3 成井工藝 鉆井—沖孔換漿—下管—固井—洗井—抽水試驗。 2. 1. 4 工期 總工期35 天。其中鉆井24 天,安裝2 天,沖孔換漿1 天,下管固井2 天,洗井1 天,抽水試驗3 天,輔助時間2 天。 2. 1. 5 成井質(zhì)量及參數(shù) 成井質(zhì)量*合同及有關(guān)技術(shù)要求,水清砂凈,水質(zhì)符合國家有關(guān)標準。水量Q > 50 t/ h ,水溫T = 50 ℃。 2. 2 效益分析與對比 2. 2. 1 鉆井效率 傳統(tǒng)的成井工藝必須在鉆孔后再擴孔,采用貼礫過濾器成井則無須擴孔,僅用?450 mm 和?311mm 鉆頭一次成井。工藝流程上減少了擴孔、二次沖孔換漿、投礫3 道工序,可大大提高鉆井效率。同樣技術(shù)條件和地層情況下,與橋式過濾器成井相比可縮短工期10～20 天。 2. 2. 2 鉆井成本 傳統(tǒng)工藝擴孔時需配備?550 mm 和?450 mm鉆頭各2～3 個,每個深1000 m 左右的水井工程其鉆頭費用增加2 萬元;施工期間人員工資、設(shè)備折舊、管理費、水電費等費用約為1500 元/ 天;由于傳統(tǒng)的工藝施工周期長,故增加1. 5～3 萬元的綜合費用。若采用貼礫過濾器成井工藝,每眼千米地熱深井可節(jié)約費用3. 5～5 萬元。盡管貼礫過濾器的每米成本高于橋式過濾器,但是,與傳統(tǒng)的方法相比卻省去了礫料購置和運輸費,同時縮小了鉆井口徑和施工工期,在綜合成本上還是經(jīng)濟合算的。 2. 2. 3 設(shè)備負荷與事故發(fā)生率 傳統(tǒng)的成井工藝,由于鉆井口徑大和頻繁起下鉆具,勢必增加了設(shè)備的負荷和扭矩,容易加速局部零件磨損和鉆桿的疲勞破壞,井內(nèi)事故率也大大提高。統(tǒng)計表明:傳統(tǒng)的成井工藝設(shè)備維修和事故處理所發(fā)生的費用平均每個井在5000～20000 元。 綜上所述,選擇新的成井材料和技術(shù)方法有顯著的優(yōu)勢和特點,它在確保工程質(zhì)量的情況下,可以大大提高鉆井效率,降低成本和工人勞動強度。 3 貼礫過濾器的防腐作用 3. 1 金屬井管腐蝕類型 金屬井管普遍存在的問題之一是腐蝕穿孔,特別是在環(huán)境生態(tài)和地下水逐年惡化的條件下,金屬井管由于腐蝕速度過快,致使水井使用壽命急劇下降。如:河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院地熱井、開封蔚氏棉麻公司地熱井、鄭州柳林溫泉地熱井、鄭州污水處理廠地熱井等都是在使用不到3 年就出現(xiàn)井管腐蝕穿孔問題。金屬井管腐蝕類型主要有以下幾種。 3. 1. 1 溶解氧濃度差腐蝕 由井內(nèi)溶解氧濃度不同而引起的腐蝕。一般情況下,井內(nèi)0～動水位以下30 m 溶解氧濃度zui高,以下200 m 居中,井底溶解氧濃度zui低。由于在同一井內(nèi)的溶解氧濃度不同,則可形成濃度差電池,從而發(fā)生氧化還原反應(yīng)。所有水井都存在該類型的腐蝕。 3. 1. 2 應(yīng)力腐蝕 由于應(yīng)力存在而引起的腐蝕。井管焊接時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力、下管時的拉應(yīng)力、地層的壓應(yīng)力、濾水管加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力等都能引起應(yīng)力腐蝕。 3. 1. 3 磨損腐蝕 由于濾水管進水時,水流對孔隙處產(chǎn)生一定的沖擊作用,在沖擊作用下,孔隙逐漸腐蝕增大。當流速過高和含砂量大時,其磨損腐蝕加劇。 3. 1. 4 縫隙（垢下） 腐蝕 當井內(nèi)存在膠結(jié)物或沉淀時,則發(fā)生縫隙（垢下） 腐蝕。膠結(jié)物或沉淀與腐蝕相輔相成,二者同時存在。膠結(jié)物或沉淀越多,腐蝕速度越快。 3. 1. 5 選擇性腐蝕 井管材料不一時,形成原電池而產(chǎn)生的腐蝕。 如:渡鋅橋式濾水管、纏絲濾水管等,其材料不同（電極電位不同） ,則可產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。 3. 1. 6 穿孔腐蝕 當?shù)叵滤新入x子和硫酸根離子含量高時,則引起穿孔腐蝕。 上述幾種類型的腐蝕幾乎同時存在,也就是說金屬井管不是單一的腐蝕,而是多種類型的聯(lián)合腐蝕。并且,其腐蝕速度與溫度成正比關(guān)系。這一點也說明了地熱井井管腐蝕速度過高的原因。 3. 2 貼礫過濾器防腐機理 貼礫過濾器的外層是由LL - 2 高分子材料和濾料加工制成,并有較高的抗壓、抗彎和抗剪強度。即便是襯管存在局部腐蝕或穿孔,但外層不存在腐蝕問題。所以,地層中的泥沙不會因此進入井內(nèi)而造成涌砂或污染。 4 貼礫過濾器特點 綜上所述,貼礫過濾器主要具有以下特點: （1） 縮小鉆井口徑、減少成井工序、減少設(shè)備磨損和負荷,從而提高了設(shè)備的使用壽命和鉆井工程效率; （2） 解決了投礫厚薄不均和投礫過程中的顆粒分選問題; （3） 可在地熱井、舊井處理、斜井（或定向井） 、水平輻射井等工程中應(yīng)用,從而拓寬了適用范圍和領(lǐng)域; （4） 具有防腐作用; （5） 可降低鉆井綜合成本和工人的勞動強度。 5 展望與建議 上述的分析和實際應(yīng)用說明:貼礫過濾器可有效提高水井使用壽命,具有廣闊的應(yīng)用前景。為此,結(jié)合國內(nèi)實際情況和現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題,進行新型貼礫過濾器的研制和開發(fā)勢在必行。具體建議: （1） 各級領(lǐng)導(dǎo)和部門重視技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)、新產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作; （2） 貼礫過濾器的制造工藝和材料選擇還需進一步研究和創(chuàng)新; （3） 貼礫過濾器輔助產(chǎn)品有待于開發(fā)和配套; （4） 產(chǎn)品制造中的環(huán)境問題亟待解決; （5） 設(shè)計與配方實行優(yōu)選法或計算機信息處理。 |
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