重慶市紅層區淺機井洗井技術試驗研究①

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約698.6萬農村分散居民的飲用水困難。隨著機井使用年限的增長，井底沉砂不斷淤積導致井內出水量逐年減少，為解決該問題本文提出了沉砂筒-空壓機聯合洗井技術并進行了室內模型試驗研究，得到了沉砂筒高度、沉砂筒質量以及空壓機氣閥開度與洗井效果相關性較強以及最優沉砂筒直徑為110mm，最優空壓機氣閥開度為2/3和最優沉砂筒高度不小于80cm的有益結論。

關鍵詞：紅層機井 井底沉砂 洗井 重慶

中圖分類號：TU99 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0054-04

重慶市紅層找水工程實施以來累計打井276373口，解決了100多萬人飲水困難問題。然而根據多年紅層找水工作經驗，人們往往注重機井開采施工技術和成井質量，而對機井維護缺乏重視，導致大量機井在使用2年以上便出現了井底沉砂淤積、滲流管道堵塞、出水量和出水速度減少、水質變差等問題，嚴重影響了紅層區機井的正常使用，開展紅層機井洗井維護工作已勢在必行。

目前，相關學者對紅層淺機井做過大量科學研究[1]。在機井使用功能退化機理方面，機井出水量逐年減小的主要原因在于濾水管和滲流通道產生物理堵塞與化學堵塞所造成[2]；除上述原因外淺層機井出水量減小的原因還包括成井后清洗不徹底導致井底沉砂淤積、井壁泥皮附著從而堵塞了有效滲流管道[3]。在紅層淺機井洗井技術方面，目前主要有高壓射流洗井、化學劑洗井、壓風機洗井、液態二氧化碳洗井和活塞洗井等技術[4]，同時有學者總結提出掏砂洗井清淤法與聯合洗井清淤法，其中掏砂清淤法主要有掏砂管清淤、撈砂管清淤，聯合洗井清淤法主要有單泵循環大降深抽水、雙泵清淤、串聯雙泵洗井清淤、泥漿泵與空壓機聯合清淤等方法[2]；除上述常規洗井技術外，有學者研發了一類新型固體燃氣洗井器，利用該洗井器可一定程度上提高了洗井效率，增強洗井工藝的輕便快捷性，縮短施工周期[5]。

上述各類洗井技術均有其各自的優缺點和適應性，比如：空壓機洗井和二氧化碳洗井存在洗井費用高、設備安裝和操作流程復雜，較適用于砂礫層地層；活塞洗井和水泵洗井歷時較長，施工工藝復雜，較適用于砂巖地層；而化學洗井和固體燃料洗井則存在原材料運輸和攜帶不便以及可能對地下水產生二次污染等問題。

重慶市紅層淺機井具有分布范圍廣，數量多，位置零散的特點，部分機井交通極其不便且周邊缺乏充灃的地表水源，上述各項客觀限制條件使得重慶市紅層區淺機井洗井技術必須同時具備洗井設備輕巧以方便運輸和搬運，洗井所用材料需獲取方便快捷，洗井時間短且費用低，洗井效果良好等特點。為解決上述問題，本文采用沉砂筒-空壓機聯合洗井技術并通過室內模型試驗和現場實踐應用開展了重慶市紅層區淺機井洗井技術試驗研究。

1 沉砂筒-空壓機聯合洗井技術

1.1 技術原理

沉砂筒-空壓機聯合洗井技術主要利用空壓機產生高壓氣流將井底沉積的泥砂沖散，同時在高壓氣體作用下，迫使沖散后的泥砂水體通過沉砂筒與井內壁之間的通道往上流動，當流過沉砂筒后由于過流面積增大，水體流速降低，從而導致其攜帶泥砂的能力降低，在泥砂通過狹窄通道時主要以高速水流主導，當水流流速降低后泥砂便以自重為主導，從而在自重作用力下掉頭向下沉積在沉砂筒內，最后將沉砂筒提出井外，實現了井底沉砂打撈的目的，同時該技術在利用空壓機沖洗時井內氣體在往上運動過程中會引起井內水體產生紊動，含氣水體的紊動效應會與井壁間產生相互摩擦和震蕩，從而達到清洗井壁風化泥砂和殘積泥皮的效果，實現一定程度疏通井壁滲流通道的目的。

1.2 影響因素分析

運用沉砂筒-空壓機聯合洗井技術洗井效果影響因素主要包括沉砂筒直徑、沉砂筒高度、沉砂筒質量和空壓機性能4個方面。

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，反之則越小；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反流，無法有效沉積到筒內；沉砂筒質量越大，越有利于沉砂筒在自重作用下不斷往深部沖洗，但會在一定程度上增加提升沉砂筒的困難；空壓機性能主要表現在產氣量和工作壓強兩方面，產氣量和壓強越大時越有利于將井底沉砂沖散，含氣水流的紊動效應越明顯，對井壁的摩擦和震蕩越充分，但會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定的環境。

2 室內模型試驗

基于沉砂筒-空壓機聯合洗井技術，為進一步分析和量化沉砂筒直徑、高度、質量以及空壓機性能對洗井效果的影響，尋找出較憂的沉砂筒尺寸特征，本文進行了基于沉砂筒-空壓機聯合洗井技術室內模型試驗。

2.1 試驗工況

本次試驗主要研究沉砂筒直徑、高度、質量以及空壓機性能對洗井效果的影響，故針對上述四類影響因素，擬定的試驗工況見表1，每類工況沖洗時間為5min，停機后沉積時間為1min，其中沉砂筒質量的增加是通過往筒內增加相應質量碎石所實現。

2.2 試驗模型

根據重慶市紅層機井竣工資料，機井套管以尺寸為170mm，套管以下基巖段機井尺寸為130mm，本次試驗為便于觀察洗井現象，采用直徑為130mm，長度為2m的有機玻璃管模擬機井基巖段。通過野外紅層機井調查發現紅層機井內沉積的泥砂直徑平均約0.05～0.1mm，屬于粉砂～細砂類，本次用于模擬井底沉砂的材料是通過采用孔徑為0.25mm的篩網篩分出的石英砂，同時為模擬機井內泥巖風化產物，在石英砂內添加有5%的粘土顆粒，粘土顆粒和石英砂在有機玻璃管內的填充長度為0.8m，沉砂段以上灌滿清水，水位標高1.8m，整個模型用膨脹螺絲穩固在墻上，如圖2所示。endprint

2.3 試驗設備及方法

根據擬定工況要求，本次試驗共制作了6個沉砂筒，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連接用于向井內輸送高壓氣流；試驗所用的空壓機為小型空壓機，最高氣壓為0.8MPa，產氣量為0.12m3/min，如圖3所示。

試驗前先按要求連接好各設備，并進行密閉性檢查，待一切正常后按工況要求開啟空壓機并把氣閥開關設置為指定位置，將沉砂筒勻速放進有機玻璃管內，讓沉砂筒在自重作用下沉到底部，此時開時計時，5min后關閉空壓機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沉砂段頂面到沉砂筒頂端的長度進而通過換算得到打撈的沉砂體積；重復上述過程，直至完成各工況試驗。

3 試驗結果分析

通過11組室內模型試驗，得到的試驗結果見圖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算。

從圖4試驗結果可看出，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，當沉砂筒直徑為110mm時，在其他各影響因素相同的情況下所打撈的沉砂體積最多，表明通過模型試驗所得到的最優的沉砂筒直徑為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最終沉積體積占主要影響因素，在超過最優直徑后過流面積則逐漸成為影響最終沉積體積的主導因素，該試驗結果與本文1.2節中的分析結論較為吻合，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出不斷增大的變化趨勢，由于工況數量偏少，試驗未能得出最優的沉砂筒高度值，但從三類工況條件下所得到的最終沉砂體積可看出，沉砂筒高度對最終沉砂打撈體積的影響較大，兩者間的相關性較強，同時還可得到，最優沉砂筒高度應不小于80cm。

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

從圖7中可看出，最優的空壓機氣閥開度為2/3，當開度過小或全開時均會對最終沉砂打撈效果產生副作用，當開度太小時，出氣量太小導致無法有效沖散井底泥砂并將泥砂輸送到筒口以上；當全開時，從試驗過程中可發現整個沉砂筒內水氣流紊動現象極為強烈，沉砂筒頂部以上部含砂水體不停地作翻滾運動，此時泥砂受紊動水流影響僅少部分沉積到筒內，大部分泥砂在筒壁與井壁間的過流斷面內做著往返運動。

4 結論

（1）通過沉砂筒-空壓機聯合洗井室內模型試驗，研究了沉砂筒直徑、沉砂筒高度、沉砂筒質量以及空壓機氣閥開度四類的主要影響因素與洗井效果間的量化關系，試驗結果表明，洗井效果對沉砂筒直徑不敏感，而其他三類影響因素與洗井效果相關性較強。

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

（3）本文的不足之處在于未能通過試驗得出最優沉砂筒高度及最優沉砂筒質量，后期將對模型試驗進行進一步補充和完善，同時將基于模型試驗結果，選取紅層機井進行實例驗證。

參考文獻

[1] 王欣.灌溉機井病損類型成因和修復措施[J].河南水利與南水北調，2015（2）：24，26.

[2] 李成民，葛月蘭.淺談機井維護與增水措施[J].排灌機械，2001（2）：25-26，28.

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[4] 程志忠.幾種洗井方法在水文鉆井中的應用[J].西部探礦工程，2008（9）：104-105.

[5] 關洪軍，朱大奎，官磊.固體燃氣洗井器試驗效果分析[J].南京大學學報：自然科學版，2007（2）：212-220.endprint