洗井增水處理技術探討

□任　方（商丘市農水技術和水土保持監測指導站）

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洗井增水處理技術探討

□任方（商丘市農水技術和水土保持監測指導站）

摘要：洗井增水處理技術是提高成井率、增加出水量的重要措施，是成井工藝的進一步深化過程。洗井的目的是通過物理與化學作用，增加井眼周圍含水層的滲透性，使含水層中的水能暢通地流入井中。對于基巖井而言，可以徹底清除含水層中的巖粉和堵塞物，疏通巖石裂隙溶隙，有效擴大進水通道；對于松散層井，可以清除含水層中的堵塞物泥皮，恢復含水層的滲透性和孔隙率，從而有效增加出水量。

關鍵詞：洗井；增水；處理技術

0引言

洗井增水處理技術是提高成井率、增加出水量的重要措施，是成井工藝的進一步深化過程。洗井的目的是通過物理與化學作用，增加井眼周圍含水層的滲透性，使含水層中的水能暢通地流入井中。對于基巖井而言，可以徹底清除含水層中的巖粉和堵塞物，疏通巖石裂隙溶隙，有效擴大進水通道；對于松散層井，可以清除含水層中的堵塞物泥皮，恢復含水層的滲透性和孔隙率，從而有效增加出水量。

洗井增水的方法較多，但最常見的洗井方法有鹽酸洗井、多磷酸鹽洗井、二氧化碳洗井、物理化學聯合洗井以及爆破洗井等方法，這些洗井方法都各有自己的特點和適應性，詳見表1。

表1　常用洗井增水方法特點對比表

洗井增水方法的選擇正確與否，直接影響著管井涌水量的大小和壽命。在選擇洗井方法時，應充分考慮巖石類型、井孔深度、井孔結構、施工方式、巖芯狀況、沖洗液類型以及鉆進過程沖洗液消耗等因素。根據多年洗井增水效果分析，以及大量的生產實踐總結，較為實用的洗井增水方法主要有二種，一是石灰巖地層的鹽酸洗井，二是松散層中的多磷酸鹽洗井，其它方法可根據實際條件合理選用。

1石灰巖地層鹽酸洗井增水

1.1鹽酸的特性

鹽酸是一種強酸，具有酸類物質的一切通性，可與多種物質發生化學反應。在石灰巖地層，鹽酸可與CaCO3、MgCO3發生化學反應，分解成CaCl2、MgCl2等易溶于水的物質，增水效果非常明顯，應用較為廣泛；在松散層管井中，鹽酸可與過濾器的Ca、Mg氧化物進行化學反應，疏通管井過濾器，增加管井出水量。

鹽酸是化工行業的一種重要原料，來源比較容易，是各地區化工廠、化肥廠及塑料制品廠的主要產品或副產品，價格低廉。

1.2石灰巖的分布與特點

石灰巖是地表出露最為廣泛的碳酸鹽巖地層，約占整個陸地總面積的15%。我國石灰巖出露面積有91萬km2，分布面積則達340萬km2。山東僅魯中南地區寒武、奧陶系碳酸鹽地層出露面積就達1.70萬km2，另有大面積為第四系土層覆蓋。由于巖溶作用的影響，石灰巖地區的地表徑流多被轉入地下，因此在該類地區地表水缺乏，而地下水則相對富有。但由于受地質構造等因素的影響，基巖裂隙、巖溶的分布又很不均勻，有時出水量較大，有時出水量又較少，甚至成為干眼。在這種情況下，采用鹽酸進行洗井處理，將是增加管井出水量的最為有效手段。

1.3石灰巖地層鹽酸洗井的基本原理

鹽酸與石灰巖類巖石進行化學反應，屬于強酸與弱堿瀚進行的反應，其化學反應的方程式如下。

在石灰巖中：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+C02↑

100+72=110+18+44

在白云質灰巖中：MgCO3+2HCI=MgCl2+H2O+C02↑

84+72=94+18+44

上述方程式表明，每溶解l00g石灰巖需用72gHCl（即360 g 的20%鹽酸），并產生44 g的CO2和ll0 g的CaCl2；每溶解l00 g的白云質灰巖則需用85.70 g的HCl（即428.60 g的20%鹽酸），并產生111.90 g的MgCl2和52.38 g的CO2。因此，溶解同量的CaCO3和MgCO3兩種巖石，所需的鹽酸量是不同的，相比較而言，含MgCO3（白云質灰巖）類的巖石耗酸量更大。

從鹽酸的化學性質可看出，當鹽酸注到井內后，便與碳酸鈣進行反應，生成氯化鈣、水及二氧化碳。一方面，氯化鈣易溶解于水中，使含水層處的石灰巖溶蝕、裂隙進一步擴大，水的流動更為暢通；另一方面，反應中還生成大量的二氧化碳，這些氣體在井內水柱壓力作用下又不斷地溶解于水，當溶解量達到一定值時，導致井內的水體急劇膨脹，產生一定的氣體壓力，從而形成“沸騰”狀態。這種作用又可迫使鹽酸沿著含水層的溶孔、裂隙向深處侵入，使鹽酸的作用范圍進一步擴大。同時，高壓作用還迫使水體沿井身向上運動，帶著反應物及其它鈣質膠結物排出井外，并在一定條件下形成“井噴”現象。

采用鹽酸處理井孔，可使深入含水層中的溶隙、裂隙擴充，這些又裂隙可以把那些巨大的含水構造或距管井較近但尚沒有被鑿穿的導水裂隙與井眼連通起來，溝通了水力聯系，致使管井的出水量顯著加大。

1.4鹽酸與石灰巖化學反應過程

為了解鹽酸與石灰巖的化學反應速度，確定鹽酸與各類灰巖進行化學反應時的最適宜酸夜濃度，下面以6種石灰巖為例說明。

1.4.1反應環境與方法

1.4.1.1試驗條件

試驗在常溫常壓下的室內進行，灰巖試塊選用3 cm× 3 cm×l cm的立方體。

1.4.1.2試驗方法

配制鹽酸溶液的濃度分別為6%、8%、10%、12%、14%、16%、20%、24%、28%、31%，溶液體積為l00 ml。對同一種濃度的鹽酸將不同的6種石灰巖試塊放入酸溶液中，化學反應作用時間從開始至不產生氣泡為止。

1.4.2鹽酸的濃度對化學反應速度的影響

根據上述的試驗條件與試驗方法，選擇魯中南山區的中奧陶灰巖、下奧陶灰巖、風山組灰巖、張夏組灰巖及饅頭組灰巖進行了試驗，其試驗結果見表2。

根據表中實測數據作出不同灰巖單位時間內的溶解量隨酸液濃度變化關系曲線，如見圖1所示。由圖可知，除下奧陶灰巖的變化曲線外，其它五條曲線反映的石灰巖單位溶解量隨酸液濃度變化規律基本一致，即酸液濃度在16%以內，反應速度隨濃度的增加而加快。當酸液濃度從14%增至16%時，灰巖與鹽酸溶液反應最為劇烈。當酸液濃度超過16%時，其化學反應速度反有所降低。上述分析表明，鹽酸與中奧陶灰巖、風山組灰巖、張夏組灰巖及饅頭組灰巖等6種灰巖進行化學反應的適宜濃度為14%～16%。由于下奧陶灰巖主要成份為MgCO3，與其它五種灰巖的主要成份CaCO3有所區別，從而導致了曲線變化規律不一樣。從圖中曲線變化規律可知，當酸液濃度超過10%達到12%時，其單位時間溶解量最大。當濃度超過14%時，單位溶解量雖然仍在增加，但增加幅度有所減少，而下奧陶灰巖與鹽酸溶液反應的適宜濃度為10%～14%。

表2　鹽酸與石灰巖化學反應作用時間及溶解量對比表

從圖1中還可看出，當鹽酸溶液濃度為14%～16%時，石灰巖與鹽醵的化學反應作用時間為4.60-6.33 h；而白云質灰巖則為5.18-7.08 h，比石灰巖稍長一點。因此可以認為，當所洗井的含水層為石灰巖時，鹽酸的作劇時間選為4-6 h；而當所洗井的含水層為白云質灰巖時，化學反應作用時間宜選用5-7 h。

圖1　石灰巖溶解量隨酸液濃度變化關系圖

1.5鹽酸洗井增水技術的應用

1.5.1注酸位置的確定

注酸位置是否合理、準確，直接影響到洗井增水的效果，是影響洗井成功與否的關鍵因素。確定注酸位置的方法，一是依據打井巖芯裂隙發育情況進行初步判斷，再進一步根據測井成果確定出注酸井段。當注酸段為多個時，應將注酸口放在最下面的注酸段底板處。雖然酸液的比重比水的比重大，但上部水體為自由面，所以鹽酸依然自下而上運動。

大量的生產實踐表明，無論采用何種方法，井內的巖石裂隙發育情況一般難于準確掌握，較為有效的注酸辦法，是將地下水位以下的石灰巖層段全部注滿酸液，采用全井段注酸洗井，增水效果更為可靠。

1.5.2鹽酸洗井主要設備

在石灰巖地層進行酸化洗井時，主要設備為施工鉆機，以及酸罐、輸酸管（塑料管及配件）、玻璃浮子流量計、球閥等器械。

在具體施工時，應將酸罐放在風向的下游方向。可將鉆桿作為井下輸酸管，使用塑料管連接酸罐與鉆桿，并在井口處安裝塑料管三通，連接到導氣塑料管，導氣塑料管應高于井口一定高度，以防止酸液從導氣管溢出。

1.5.3注酸濃度和數量的確定

考慮到酸液注入到井內后有較大的稀釋作用，注酸濃度不應過低，一般應在30%左右，這樣才能保證實際參加反應的酸液濃度較為適宜。

鹽酸用量可根據井徑的大小以及洗井段的長短進行計算，如果采用全井段注酸的辦法洗井，可按地下水位以下井孔內的容積或整個含水層段的容積進行計算，就可確定出實際注酸量。

鹽酸被注入到井內，除沿井軸方向縱向擴散外，還會沿基裂隙、溶隙進行擴散，特別是當含水層裂隙較多，溶隙較大時，產生化學反應的接觸面積更大，需要的用酸量也相應地增大。由于含水層裂隙分布不均勻，多呈樹枝狀分布，因此，考慮到鹽酸橫向擴散對注酸量的影響，可引入系數α對常規的計算方法進行修正。根據有關野外試驗資料，修正系數α的取值范圍可選用1.00～1.70，該系數乘以計算出的注酸量，即為實際洗井時的注酸量。

1.5.4注酸速度與靜置時間

注酸速度應適宜，過快易造成井噴，過慢則會降低反應強度，影響洗井增水效果。根據大量生產實踐經驗，一般以2～3 t/h的速度注酸較好。

注酸后的洗井抽水時間，不應短于酸液的反應時間，一般靜置時間24 h為宜。

2松散地層多磷酸鹽洗井增水

2.1多磷酸鹽的物理化學性質

目前常用于洗井的多磷酸鹽有六偏磷酸鈉［（NaPO3）6］、焦磷酸鈉（Na4P2O3）、三聚磷酸鈉（Na5P3O10）及磷酸三鈉（Na3PO4）等化學原料。其有關性能見表3。

2.2多磷酸鹽洗井的基本原理

多磷酸鹽洗井的基本原理，是將多磷酸鹽溶液注入井內后，利用多磷酸鹽的分解、絡合、離子交換吸附、對泥漿的穩定及疏導等作用，使粘土顆粒發生物化反應，形成高度分散、懸浮狀態的膠體溶液。多磷酸鹽是一種絡合物，它絡合泥漿中的鈣鎂離子，促使粘土分散，又可以吸附于粘土晶體上，拆散泥漿中的網狀結構，使井壁松軟膨脹，致使泥皮脫落、疏通含水層，從而達到洗井的目的。

表3　多磷酸鹽物理化學性能表

2.3多磷酸鹽洗井工藝

2.3.1多磷酸鹽用量的計算

為了節省洗井中化學藥品的用量和提高洗井效果，一般只向機井的濾水管段注入多磷酸鹽洗井劑，反應時間一般控制在8-12 h之間。多磷酸鹽用量可按下式計算：2

式中：Wd—多磷酸鹽用量（Kg）；d—洗井段范圍內鉆孔直徑（m）；P—洗井段設計的多磷酸鹽溶液濃度，一般為5%～10%；H—洗井段長度（m）。

2.3.2多磷酸鹽洗井的主要設備與方法

采用多磷酸鹽進行洗井，其主要設備與冼井方法，基本與鹽酸洗井工藝大同小異，在施工時，可采用鉆機設備，使用鉆桿將酸液下入預定位置即可。在使用六偏磷酸鈉及磷酸鈉時，由于其在水中溶解慢，為提高其溶解速度，需在配液時加陰離子助溶及升溫。一般可選用29%～31%濃度的鹽酸，其用量為多磷酸鹽的16%～20%即可。

2.4多磷酸鹽洗井的優點

2.4.1增加單井出水量

試驗研究表明，使用多磷酸鹽洗井，比常規方法（空壓機一活塞洗井），其出水量一般能增加10%～19%。

2.4.2縮短輔助時間，提高效率

使用焦磷酸鈉洗井較用一般的機械方法洗井，其洗井時間一般可降低40%。

2.4.3節省清水用量

井內注藥，待靜置反應后，可直接向井內送風排漿，減少了清水用量，這對在干旱缺水地區施工時提高洗井質量、加快成井速度，效果更為顯著。

2.4.4減少對脆性井管的損壞

對于脆性易損的混凝土、塑料、陶瓷等井管，井內注藥以后可直接送風排漿，不用拉活塞洗井，相對減少了井管損壞的可能性。

（責任編輯：劉青）

文獻標識碼：中途分類號：TE934.1A

文章編號：1673-8853（2016）05-0117-03

收稿日期：2016-03-03