摘要:二氧化碳洗井是一种以物理方法为主的洗井过程,其设备简单、周期短、效果好,因此应用十分广泛。在实际施工时,需要根据项目的地质条件和水文条件来考虑。在具体施工过程中,需要多次洗井,根据效果不断优化参数,通过调整参数值达到最优的洗井效果。在施工时,除了达到供水量需求以外,还需要做好节能环保工作,积极配合环保单位,开展绿色作业。
1、二氧化碳洗井技术概述
二氧化碳洗井技术是一种物理洗井方法,将高压液态二氧化碳经过高压管道注入到成井含水层及以下部位,液态二氧化碳从高压状态转化为大气压气态,液态二氧化碳迅速气化,体积迅速膨胀,井内产生的高压气流向含水层各个方向传递,促使井内的水向含水层推移,达到疏通、扩大裂隙的效果。同时,二氧化碳溶解到井水之中,出现了气液两相,降低了井水的相对密度。根据帕斯卡原理,随着深度增加,压力增加,溶解度提升,溶解二氧化碳井水密度降低,底部密度降低,井中的水位急剧上升,就会出现井喷现象。井喷既可以携带泥沙,在井喷后水位迅速下降,水位差能继续疏通岩溶通道,使水量增加,井水抽取过程中也能达到快速抽清目的,提高供水井的出水量。
2、项目概述
2.1 项目基本情况
受武汉市江夏区某公司委托,湖北省地质勘察基础工程有限公司在其公司厂区范围内以及附近有条件成井的场地施工供水井一口,要求日出水量为10m3。接到任务后首先对施工场地及周边进行野外地质调查及浅孔勘探,结果显示城区内第四系覆盖层下伏有石灰岩地层,具有存有地下水的条件。
1)工程阶段
a. 第一阶段勘察工作,工期为7天;
b. 第二阶段成井施工,工期为46天。
2)主要工作量
a.野外地质踏勘0.5km2;b.浅孔钻孔3个,总进尺105m;c.供水井1口,总进尺126.00m;d.二氧化碳洗井5次;e.抽水试验3次。
2.2 项目地质水文条件
1)地形地貌及地理位置
供水井位于武汉市江夏区,属剥蚀丘陵及岗垅地貌区。海拔在30.0-150.0m之间,施工区地表高程在70m±,地形相对高差较大。
2)气象及水文
区内年平均气温16.8℃,1月(最冷月)平均气温3℃,7月(最热月)平均气温30℃。区内雨量充沛,多年平均降雨量为1334mm,降水多集中在4、5、6、7月,约占年降雨量的60%,多年平均蒸发量为1436mm,潮湿系数小于1。无霜期约为260天。场区地表无径流,当地灌溉农田的地表水主要取自塘、堰蓄水,生活用水一般取自地表浅井渗水。
3)地质特征
根据区内出露的地层及构造特征分析,推测区内第四系(Q)下伏发育的地层从上至下依次有二叠系上统大隆组(P2d)、龙潭组(P2l)、下统孤峰组(P1g)、栖霞组(P1q)、石炭系上统船山组(C2C)、黄龙组(C2h)、下统和州组(C1h)、高骊山组(C1g);泥盆系上统五通组(D3W)。场区位于扬子地台大冶褶皱束段岭庙向斜内,地层走向近EW,根据区域地质资料及地表出露的地层分析,供水井所在地段位于向斜北冀,整体来看,地层向南倾斜,倾角30-60°。
3、供水井含(隔)水层特征
本次钻探深度126.0m,所揭露的地层岩性特征及富水性如下:第四系(Q):(0-11.00m),灰黄—褐红色山麓残坡积粘土及粘土夹碎石,可-硬塑。与下伏基岩呈角度不整合接触。二叠系下统栖霞组(P1q):(11.00-126.00m),灰黑色含泥质燧石结核灰岩,局部地段有明显的溶蚀现象,其溶蚀面见水侵铁锈。该层未揭穿,揭露最大厚度为115.00m。该层属弱含水层,为岩溶裂隙水。根据钻探揭示的情况看,该组地层以下几处岩溶现象较为明显:
1)深度36.60-39.40m,溶蚀迹象较为明显,溶蚀面见水侵铁锈,岩芯破碎;
2)深度49.90-52.00m,溶蚀迹象明显,并见溶蚀重结晶现象,岩芯破碎,采取率低;
3)深度55.80-58.20m,岩溶发育,溶蚀面清晰,岩芯破碎,采取率低;
4)深度82.30-85.70m,见少量溶槽、溶孔发育,并见溶蚀重结晶现象。
值得说明的是,在钻进过程中,钻孔冲洗液始终消耗不太明显,随孔深加大,45m后冲洗液消耗量明显增加,之后消耗量始终保持在0.5m3/h±,钻进过程中,起钻后测得地下水位一般为6-11.60m之间。在下部钻进中,孔深50-60m之间的钻杆上总是粘有红土,据此说明,在该地段的岩层缝隙中充填有红土,并具有一定的连通性,但有待于在抽水过程中地下水将通道内的红土逐渐携带到地表,通道才能得到进一步的疏通,出水量也会随之增大。从本区水文地质特征看,含水地层为二叠系下统栖霞组(P1q)石灰岩。根据钻探取芯情况,在36.60-85.70m共发现4个层带的灰岩溶蚀明显,裂隙较发育,总厚度10.40m,可见这4个层带透水性较好。
4、成井工艺及井身结构
4.1 成井工艺
本次施工采用钻孔成井,即采用TXB-1000A型旋转钻机,选用合金和钢粒钻头钻进成井,为探采结合水文地质孔,其施工设备为1台TXB-1000型钻机、1台TBW200/40水泵、1台28kw电动机,若干机具管材。
4.2 井身结构
本次成井在不同的深度施工采用不同的钻探口径及钻探工艺,表层套管下入深度已穿过第四系,且嵌入下伏基岩5.9m,所需的钻头类型,应根据岩层特点进行选择,在表层11m内多为粘土,选用合金钻头、合金或钢粒钻头,井径219mm,套管长度17.1m,下入深度16.9m,套管口径219mm;岩石层从11-126m采用钢粒钻头。
5、二氧化碳洗井及抽水试验
利用二氧化碳洗井技术进行抽水试验,对于后期成井出水量有着重要影响,可以将工作划分为前期准备、洗井阶段、抽水试验和水质评价三个阶段。
5.1 前期准备阶段
上文已经论述到二氧化碳洗井技术是成本低、效果好、周期短的物理洗井技术。根据设计要求,计算二氧化碳用量、起动压力等,同时准备好施工设备(一套二氧化碳洗井设备,一套100QJ3-143/26深井潜水泵以及相应的测量仪器)。
5.2 二氧化碳洗井及抽水试验
钻井过程中,在不同深度测得的水位略有变化,变化范围较大,地下水一般保持在6.0-21.6m以内。钻进结束后,静置观测8h,水位稳定深度在29.45m。本工程采用二氧化碳洗井法洗井,前后共洗井5次,抽水试验3次,钻进结束后立即采用二氧化碳洗井1次,洗井产生井喷高度约18m左右,主要喷出物为大量泥浆及岩粉。洗井井喷结束后,测得井内水位为60m,井内水位恢复至60m用时109min,井内水位恢复缓慢,故没有进行抽水试验,立即采取第二次二氧化碳洗井,洗井产生井喷高度与前一次相同,但主要喷出物除了有大量泥浆及岩粉外还有软塑状粘性土,而井喷中的软塑状粘性土说明通过洗井石灰岩地层中的岩溶通道得到拉通,洗井井喷结束后,测得井内水位为84m,井内水位恢复到60m用时90min,井内水位恢复明显加快,印证了岩溶通道得到拉通。
第二次洗井并观测恢复水位90h后进行第一次抽水试验,因钻孔涌水量较小,易出现断流,因此不连续抽水40h后进行第三次冼井,洗井后水位81m,恢复到60m需要时间为77min,喷出物主要为泥浆、软塑状粘性土及少量岩粉。继续观测恢复水位8h后进行第二次抽水试验,还因钻孔涌水量较小,易出现断流,因此不连续抽水40h后进行第四次、第五次冼井,第四、五次冼井是连续进行的,洗井后水位71.2m,水位恢复到60m,所需要时间为48min,恢复时间越来越短,表明井道通畅性更佳,喷出物基本为比较混浊的水,说明岩溶通道中的岩粉、泥浆及软塑状粘性土基本清除干净,故观测恢复水位8h便进行第三次抽水试验。洗井效果与抽水试验对照具体见表1。
第一次抽水试验过程中,因钻孔涌水量较小,只能开泵抽水25min,之后则断流,等孔内地下水恢复1.5h继续开泵,如此几次,抽水时间有所增长;第二次抽水试验开泵37min后则断流,等孔内地下水位恢复到62.0m±时开泵抽水,抽水27min则断流,如此几次,因地下水含水层通道进一步得到疏通,水位恢复速度逐渐加快,抽水时间随之增长,不连续抽水6h后再没有出现断流,但出水量始终未达到水泵的饱和出水量,地下水位保持在91m;第三次抽水试验中,起初钻孔涌水量还是不大,当连续抽水80h后出水量才达到水泵的饱和出水量,此时钻孔内地下水位也开始回升,逐渐回升到75.0m,且48h都处于稳定状态,流量一直保持在3.4m3/h以上。
表1 洗井效果及抽水试验对照表
通过洗井和抽水试验可以看出,随着洗井次数及抽水时间的增加,该供水井的地下涌水量也随之增大,井喷5次,将泥浆、岩粉、粘土等喷出井外,压风机继续排水,15h后水清。洗井后抽水,井出水量10m3/d,较原出水量提高1.6倍。本供水井在抽水时水位、流量短时间内不易稳定,停抽后水位也恢复较慢,据此说明地下水裂隙通道连通性较差,导水功能一般,但从抽水试验结果看,该供水井日出水量10m3是有保障的。
6、二氧化碳洗井技术应用注意事项
6.1 应用范围
二氧化碳洗井技术有其明显优点,但是由于二氧化碳产生的压力大,对井壁的冲击较大,要求井壁必须有较高的抗压强度,因此二氧化碳洗井技术多用于钢管或者铸铁管道井。若将二氧化碳洗井技术应用于水泥管或者塑料管,必须要根据实际情况进行具体分析,随着钢筋混凝土的抗拉强度的增加,二氧化碳洗井技术在水泥管道的应用越来越广。
6.2 二氧化碳使用量影响
二氧化碳洗井技术使用量根据气体状态方程可知,二氧化碳使用量与瓶中的气压、钻杆的运行深度、环空的体积、长度和地面管道的直径、钻杆的内径和钻井液的密度、水温和气体温度成反比。想要达到环保节能,减少气体消耗,应从以下三方面入手:
1)在设计钻孔时,要尽可能减小钻孔直径。在输气管道的设计中,应尽量使用直径较小的钻具。井中的钻杆也使用较小直径的。实践表明,钻杆具有成本低、抗压强度高、气体传输性能好的优点。
2)在施工过程中,要尽可能稀释钻井液以降低密度,并尽可能多地挖掘井中的沉积物。钻杆和井底之间必须要有足够的距离,通常约为10m。
3)洗井时如果温度太低,尤其是在冬季施工时,可以间接加热气瓶。不能用火直接烘烤气瓶,以免发生事故。
7、结束语
1)二氧化碳洗井技术是一种以物理方法为主的洗井过程,其设备简单、周期短、效果好,应用十分广泛。
2)二氧化碳洗井技术需要根据项目的地质条件和水文条件来考虑,并且在施工时,需要多次施工,并且根据效果不断优化参数,调整参数值达到最优的洗井效果。
3)在施工时,除了达到供水量需求外,还需要做好节能环保工作,积极配合环保单位,开展绿色作业。
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文章来源:安晓东.二氧化碳洗井在石灰岩地区成井后的应用[J].华北自然资源,2021(03):19-21.
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