地下水源熱泵水井泵砂與堵塞原因分析

王永軍，段新勝，劉朝陽

(1.中石化新星湖北新能源開發有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074；3.湖北省地質局武漢水文地質工程地質隊，湖北 武漢 430000)

0 引言

地下水源熱泵系統的最大特點是，如果抽水井和回灌井之間不發生熱短路(或稱為熱貫通)，則抽取的地下水溫度接近于土壤初始平均溫度(該溫度一般比項目所在地年平均氣溫高1～4 ℃[1])，夏天明顯低于環境空氣溫度，冬天明顯高于環境空氣溫度，是理想的冷熱源，地下水源熱泵系統的能效比(制冷量或制熱量與所耗電能之比)一般可達4.5～6.0[2]，高于地埋管地源熱泵系統，而且初投資還可節省29%左右[3]，因此在地下水資源較豐富的地區，往往首選地下水源熱泵系統。

但實際應用時，地下水源熱泵系統常出現如下主要問題：(1)水井出水量逐年減小(即水井降深逐年增大)且含砂量超標；(2)回灌難，普遍存在將回水管與城市地下水排污管道相連，既浪費地下水資源，又會引起地下水位下降，同時污染地表水等。為了進一步推廣應用具有較大節能潛力的地下水源熱泵技術，需要對目前存在的問題進行分析研究。

1 水井泵砂與堵塞原因分析

綜合已有研究成果，水井泵砂與堵塞的主要原因可歸納如下。

(1)水文地質勘察時，對含水層位置和厚度確定不準，造成過濾管長度偏差或相對于地層層位豎向安裝位置錯位[4]，產生水井泵砂事故。

(2)過濾管類型及濾料的選用與含水層不匹配。如果過濾管和濾料通道尺寸太大，則不能有效地過濾地下水造成泵砂事故；反之如果過濾管和濾料通道尺寸太小，則會造成過濾管堵塞，水井的井損過大[5]，增大水泵功耗。

(3)如果抽水井的井損不斷增大，即抽水井降深不斷增大，當深井潛水泵吸入口在井內水位以下淹沒深度減小到一定程度后，則抽取地下水時就可能吸入空氣，換熱后將含有空氣的水通過回灌井回灌到含水層；如果在回灌井的井口采用傾注式回灌，或者回灌管路中出現負壓吸入空氣，也會造成將帶有空氣的水回灌到地下含水層。空氣進入地下含水層可能造成3個問題：一是氧化地下水中含量較高的鐵、錳元素生成不溶性、粘性氫氧化物沉淀，造成回灌井堵塞；二是促進細菌的滋生和繁衍，造成回灌井堵塞；三是產生氣泡堵塞含水層，造成回灌困難[6]。

(4)抽水-換熱-回灌回路不是一個密封的回路或者回灌管口插入回灌井水位以下深度不足，造成地下水中濃度較高的二氧化碳脫氣，形成小氣泡，堵塞回灌井周圍含水層孔隙空間；同時當二氧化碳從地下水中脫氣后，地下水的堿性增大，會造成溶解于地下水中的碳酸鹽和氫氧化物沉淀，導致回灌井結垢和堵塞[7]。

(5)部分用戶設備系統不配套(如無精濾裝置)，不能在地表進一步過濾抽水井過濾管沒能過濾的細小顆粒，造成回灌井堵塞[8]。

(6)沒有使用鉆速快、泥漿密度小、對含水層影響小的反循環鉆進方法，沒有針對鉆進方法、井管和濾料類型及地層條件選擇洗井方法[9-11]。

(7)抽水井與回灌井沒有分別設計。文獻[3]和我國的《管井技術規范》(GB 50296-2014)[12]推薦的抽水井過濾管槽縫進水流速最大值均為0.03 m/s，而文獻 [3]還推薦回灌井過濾管槽縫出水流速最大值為0.015 m/s，這就意味著回灌井的設計要有別于抽水井，其過濾管直徑或長度要比抽水井大。或者回灌井的數量要比抽水井多。此外，由于回灌井中水位波動幅度較大(需回灌和回揚處理)，井管在干濕交替環境下很容易腐蝕生銹。在回灌過程中銹蝕顆粒脫落可能會導致過濾管或含水層堵塞，因此，回灌井的套管、過濾管甚至井口管件需要選用耐銹蝕的材料，如PVC管、環氧涂層鋼管、不銹鋼管和玻璃纖維等[7]。

本文基于中石化新星湖北新能源開發有限公司在湖北荊州的地下水源熱泵工程項目，探討上述因素對地下水源熱泵抽水井的影響。對于抽水井來說，影響因素主要是上述第(1)、(2)和(6)等因素。

2 實例分析

2.1 項目概況

荊州市地處湖北省中南部，江漢平原腹地，長江自西向東橫貫全市，流經長度483 km。年平均氣溫15.9～16.6 ℃，多數年份的年降雨量在1100～1300 mm，地表及地下水豐富[13]，有使用地下水源熱泵系統的有利條件。該市某項目采用地下水源熱泵系統為面積約21000 m2的辦公區供熱制冷，配備有螺桿式水源熱泵機組，夏季用戶側的供回水溫度為7～12 ℃，冬季用戶側的供回水溫度為45～40 ℃。該項目的地源側設計了2口抽水井和4口回灌井，鉆孔直徑600 mm，井管(含井壁管、過濾管和沉淀管)外徑為273 mm，鉆孔深度62 m。抽水井與回灌井的井身結構相同。場區地下水類型有上層滯水和承壓水，上層滯水賦存于上部雜填土中，承壓水賦存于粉細砂及卵礫石夾細砂層中，取水層為承壓含水層。地層及井身結構見圖1。

為避免該地區其他水井較普遍存在的水井泵砂問題，在鋼質纏絲過濾管外面包裹了雙層80目不銹鋼絲網(網眼直徑為0.2 mm)。濾料沒有按含水層顆粒分析試驗結果設計而是按經驗選定，粉細砂層中濾料粒徑3～4 mm，卵礫石夾細砂層中為3～8 mm。上部雜填土、粉質粘土和粉土層用干粘土球止水。靜止水位(從孔口計)3.10 m，粉細砂層滲透系數3～5 m/d，卵礫石夾細砂層滲透系數13～15 m/d。由于抽水井的過濾管外包了兩層80目的不銹鋼絲網，地下水抽到地表后又經過進一步過濾，抽水-除砂-換熱-回灌回路為密閉回路，回灌方式為壓力回灌，排除了空氣進入回灌井的可能性。系統經過2年多的運轉，回灌井仍表現良好，但抽水井出現了井損過大的問題，在承壓含水層靜止水位仍為3.10 m的情況下，水井中的水位降深由初始的13.0 m增大到了27.0 m，增大了1倍多，影響了地下水源熱泵系統效率的發揮。

圖1 地層及井身結構示意圖Fig.1 Geological column and well structure

2.2 成孔工藝方法選擇與分析

在卵礫石厚度達45 m的情況下鉆進直徑為600 mm、深度為62 m的水井，若使用正循環回轉鉆進，存在鉆機和泥漿池占地面積大、鉆速低、洗井困難等問題；旋挖鉆進設備龐大，鉆井數量較少時運輸費占比太大；氣動潛孔錘鉆進方法適合于在基巖裂隙含水層中鉆進；人工挖孔施工適合于大直徑的淺井。故本項目鉆進方法可在鋼絲繩沖擊鉆進和反循環回轉鉆進兩種方法中選擇。由于場地面積有限，實際施工中選擇了設備占地面積小、用水量小、地層適應范圍廣，目前在我國仍廣泛使用的鋼絲繩沖擊鉆進方法。

然而鋼絲繩沖擊鉆進過程中孔內的濃泥漿會嚴重堵塞含水層的孔隙通道，增大洗井難度，而洗井這道工序是在下放井管和填礫之后進行的，為了防止泵砂，本工程在纏絲過濾管外包了兩層80目的不銹鋼絲網，洗井過程中濃泥漿中的粘土顆粒及含水層中的細小砂粒，會在不銹鋼絲網外積聚，逐步降低過濾管的透水性，造成井損不斷增大。

將正循環回轉鉆進和鋼絲繩沖擊鉆進方法稱為傳統成井工藝，將反循環回轉鉆進稱為新工藝，在鄭汴新區以中砂和細砂為主含水層中新工藝施工的水井單位涌水量從傳統工藝的8.98 m3/(h·m)提高到了26.59 m3/(h·m)，單位回灌量則從5.31 m3/(h·m)提高到了25.62 m3/(h·m)，成井速度較正循環回轉鉆進提高了6倍[9]。因此，實例工程如果是使用泵吸反循環鉆進方法(其特點是泥漿密度小，泥漿對含水層的污染小)，在鉆進過程中由于砂石泵的抽吸作用，含水層中的部分細小砂粒在鉆進過程中會被抽出，井壁周圍含水層的透水性在鉆進過程中不但不會受損還會有所增加，則包網過濾管的透水性隨時間的降低就不會像鋼絲繩沖擊鉆進那么明顯。

2.3 濾料與過濾管設計問題

設計濾料顆粒級配和過濾管槽縫寬度前，應對含水層進行取樣，獲得含水層樣品的顆粒級配曲線，據此再進行濾料和過濾管槽縫寬度設計。

不同的研究者提出的濾料設計方法稍有不同，但都牽涉到含水層和濾料的顆粒級配。這些設計方法的主要原則是選擇一定的顆粒級配的濾料，只允許在洗井過程中含水層中的泥漿和粒徑較小的泥砂顆粒進入水井后被排出。

在對濾料過濾理論作系統總結的基礎上，Houben 等人指出，當濾料的粒徑與含水層的粒徑的比值<4時，雖然可起到過濾作用，但會降低濾料的滲透性，增大井損(地下水流經濾料所引起的水頭損失)；當濾料的粒徑與含水層的粒徑的比值超過6時，含水層顆粒可以進入濾料層(又稱填礫層)中并堵塞濾料的孔隙空間，也會降低濾料的滲透性；如果比值>12，含水層顆粒將會穿過濾料，濾料不能發揮其過濾功能[14]。因此，4～6倍含水層顆粒粒徑的濾料既可避免泵砂又可避免不必要地降低濾料的滲透性。

如果用D10、D40、D50、D85分別表示濾料篩分樣的顆粒組成中，過篩質量累計為10%、40%、50%和85%時的最大顆粒直徑，用d10、d50、d60分別表示含水層篩分樣的顆粒組成中，過篩質量累計為10%、50%和60%時的最大顆粒直徑，Driscoll建議過濾管的槽縫寬度為濾料的D10[15]，Bakiewicz等人認為，過濾管的槽縫寬度應為濾料的D85的1/2，其近似值為D40[16]。在總結前人研究成果的基礎上，Misstear B.等建議濾料的顆粒級配應類似于被過濾的含水層，并且濾料平均粒徑D50應為含水層平均粒徑d50的4～6倍，過濾管槽縫寬度δ應在濾料的D10到D40之間[7]，即：

D50=(4～6)d50

(1)

δ=D10～D40

(2)

我國的《管井技術規范》(GB 50296-2014)則推薦過濾管的槽縫寬度為填礫的D10，而填礫的平均粒徑為含水層顆粒平均粒徑的6～8倍[12]，即：

D50=(6～8)d50

(3)

δ=D10

(4)

在實例項目的卵礫石夾細砂含水層中采取了細砂樣品，其顆粒級配曲線見圖2曲線1，它的平均粒徑均用d50表示(約為0.15 mm)；而圖中的曲線2、3、4分別為粒徑為細砂顆粒粒徑的4倍、6倍和8倍且顆粒級配曲線形狀與細砂相同的擬采用的濾料顆粒級配包絡線。

根據文獻[7]的建議，濾料的平均粒徑D50的范圍為圖2中曲線2的D50到曲線3的D50，即為0.50～0.75 mm；過濾管槽縫寬度為圖2中曲線2的D10到曲線3的D40，即為0.25～0.70 mm。

根據我國的《管井技術規范》(GB 50296-2014)，濾料的平均粒徑D50的范圍為圖2中曲線3的D50到曲線4的D50，即為0.75～1.0 mm；過濾管槽縫寬度范圍為圖2中曲線3的D10到曲線4的D10，即為0.40～0.50 mm。以上結果整理在表1中。

曲線1-土樣顆粒級配曲線，曲線2、3、4-粒徑分別為土樣粒徑4倍、6倍、8倍的濾料顆粒顆粒級配包絡線

圖2細砂樣品的顆粒級配曲線及其填礫顆粒級配包絡線
Fig.2Grain grading curves of fine sand sample and gradingenvelop curves of the pack materials

對于圖1所示的地層剖面，當開采的含水層卵礫石層中存在細砂夾層且不能有效用套管或封孔材料隔離這些夾層時，為防止泵砂和減小井損，濾料的粒徑和過濾管的槽縫寬度需要按表1設計。濾料的平均粒徑為0.6 mm時，可同時滿足文獻[7]和《管井技術規范》(GB 50296-2014)的要求。

表1 濾料粒徑與過濾管槽縫寬度計算結果 mmTable 1 Calculation results of pack particle size and screen slot width

實例工程在卵礫石夾細砂含水層中卻采用了粒徑為3～8 mm的濾料(這也是荊州市目前的通用做法)，顯著大于同時滿足文獻[7]和《管井技術規范》(GB 50296-2014)0.6 mm，也大于含水層顆粒平均粒徑d50(約為0.15 mm)的12倍，不能有效地過濾細砂夾層，過濾的壓力全部轉移到了過濾管上的外包濾網，故隨著時間的推移，細顆粒在濾網面上集聚造成濾網堵塞，增大井損。

3 結論

當地下水源熱泵抽水井開采的含水層為細砂層或為卵礫石夾細砂夾層時，為防止泵砂，目前過濾管外包不銹鋼絲網或尼龍網仍然是有效手段之一，但洗井工序是在下過濾管和填礫之后，含水層中粒徑大于包網網孔直徑的泥砂顆粒會在濾網面上集聚，造成濾網堵塞。故要優先采用泥漿密度輕、對地層污染小的反循環成孔工藝，以減小過濾管堵塞和井損增大的風險。

在細砂層中，雖然采用目數較大的包網過濾管可防止泵砂，但仍要根據含水層的顆粒級配曲線選擇濾料，發揮濾料的過濾作用，避免過濾壓力全部或大部分轉移到了包網過濾管，造成過濾管堵塞和井損增大。