供水井清淤施工方法

張慶平,楊軍平，李學軍

（1.寧夏地質工程院，寧夏銀川750001；2.寧夏礦產地質調查院，寧夏銀川750021）

供水井因其結構不合理、施工工藝存在缺陷或使用維護不當，在生產運行過程中往往會出現各種故障，影響其功能的正常發揮，如何較好地對故障井進行修復,延長其使用壽命,充分發揮現有機井的作用,降低地下水開發利用成本,是廣大水文地質工作者普遍關注的一個重要問題。

1 淤積故障類型及原因分析

1.1 淤積故障類型

出砂和淤積砂埋是供水井最常見的故障類型，機井淤積有兩類，在已建成的機井中普遍存在。一類是人為原因造成的淤積。第二類是過濾器化學結垢、過濾層或含水層出現機械堵塞,造成濾水結構淤塞。

1.2 原因分析

（1）設計原因：濾水結構設計不合理,如過濾器縫隙過大；

（2）施工工藝原因：濾料粒徑過粗或級配不合理、濾料搭蓬，孔徑偏小造成過濾層厚度偏薄、或井眼偏斜導致井管局部與井壁發生貼靠；井管破損、濾網及濾水管破損、沉淀管底部張開、濾水管及過濾層堵塞等情況，均可導致在抽水工況下井內大量進砂；

（3）使用維護原因：地面水(洪水)灌入井內或人為將磚、石、雜物等填入井中造成井內淤積。

第一類井內淤積故障，可通過加強供水井的設計、施工管理和運行管理來予以預防；第二類濾水結構的淤塞,不是人為因素,而是自然條件下形成的，則要通過采取相應的措施進行處理。

2 淤積形成機理及清淤工作原理

2.1 淤積形成機理

供水井抽水運行過程中，地層中的泥砂隨水流進入井內，其中部分泥砂隨水流返出井口，部分在重力作用下向下運動并沉入井底。如果井內液流不能將泥砂全部帶至地面，井內將不斷產生淤積沉淀，砂柱逐漸增高，掩埋下部含水層、堵塞含水層或過濾器的滲流通道，同時也增加了地下水的流動阻力，造成供水井出水量減小，使其不能充分發揮供水效能。

2.2 清淤工作原理

沖砂清淤是用高速流動的液體將井底淤積物沖散，在泥漿循環作用的攜帶下，將沖散的泥砂帶出地面，從而達到清除井底積砂的目的。

沖砂清淤時為使攜砂漿液將泥砂帶到地面，流體在井內上返速度必須大于最大直徑的砂粒在攜砂液中的下沉速度，一般推薦速度比大于或等于2，計算式為：

式中：V砂——沖砂時砂粒的上升速度，m/min；

V液——沖砂時攜砂液的上返速度，m/min；

V降——砂粒在靜止沖砂液中的自由沉降速度，m/min；

V液實——保持砂粒上升的最低攜砂液流速，m/min。

可由下式求出沖砂時所需的泥漿泵最低排量：

式中：A——沖砂液上返流動的截面積，m2。

在固定排量下沖砂，砂粒從井底上升到地面所需要的時間為：

式中：H——井深，m；

Q泵——沖砂時實際泵入排量，m3/min。

3 清淤方法及技術措施

對于出砂淤積故障機井進行處理，一定要詳細查清供水井的井身結構、地層情況、出水情況，分析判定出砂的原因和準確位置，方可采取有針對性的技術措施進行清淤處理。供水井井內淤砂情況不同應采用不同的處理方法。常用清淤法有撈砂筒清淤法、空壓機沖洗清淤法、泥漿泵清淤法、雙泵清淤法、氣舉反循環清淤法等。

3.1 撈砂筒清淤法

撈砂清淤時，首先應了解井內淤積情況，井管是否完整無損。如有破損、斷裂、脫落等需先進行修復，然后進行撈砂清淤作業。如井內落有磚石瓦塊或其他異物的，則要預先進行打撈清除。

撈砂筒選用直徑108～146mm的鋼管，加工成長度1.5～2.0m的提筒，上部聯接提引環或鉆桿接頭，底部進砂口有活門擋砂板(或擋砂圓球，見圖1)，制成撈砂筒。

圖1 撈砂筒示意圖

撈砂筒清淤法即傳統的重力撈砂。作業時，撈砂筒上部用鉆桿或鋼絲繩連接，底部進砂口設有活門擋砂板。清淤時下放撈砂筒，至淤積面時，反復提落，沖擊淤砂，使淤砂體受到攪擾進入撈砂筒內。然后將撈砂筒提出井外，倒出管內積砂。反復操作，直至井內淤砂掏盡。此法操作簡單，但清淤效果一般，不適用于井深較大、井底積砂較多、淤積嚴重、孔壁因坍塌出現失穩及孔內有其他較大落物的供水井。

如果淤積物頂面有磚石等塊狀落物，需使用圖2所示的撈石筒或使用旋挖鉆筒進行撈取。筒體總長度1000mm，筒體直徑小于套管內徑6～8mm，撈石筒底部設置鋼絲繩限位防跑裝置（見圖2），即在筒體內距底部30～40mm排列鋼絲，徑向排距50～60mm。

如果淤積物中混有塊狀落物，為提高工作效率，可采用圖2所示的多功能打撈筒對淤積物和石塊同步進行打撈。用鉆具連接多功能打撈筒并下放至淤積面，開泵循環泥漿并回轉，即可將淤砂沖起，當停泵后，水中懸浮物在重力作用下通過上開口或天窗沉入淘砂筒內，而較大的塊狀物則進入打撈筒下部，從底部鋼絲繩間隙中擠入筒內并受到鋼絲繩約束，達到快速清淤撈物的目的。

上述方法適用于不同深度的供水井，采用活門擋沙板撈砂筒時采用鉆具或鋼絲繩連接均可，但在使用撈石筒時需用鉆具連接并循環漿液，方可完成清淤打撈。

圖2 多功能打撈筒示意圖

3.2 環式撈砂筒混合清淤法

對于井內淤積物僅為沉砂者，可直接用鉆具連接撈砂筒，撈砂筒開口向上，與前述撈砂筒基本類似（見圖3）送入淤積深度，開泵將高壓水沖入井底的淤積物位置，使沉淀物充分懸浮，然后停泵，在重力作用下，被高壓擾動而懸浮的淤積物再次快速沉淀，并落入上部開口的撈砂筒內，然后提出井口予以清除，如此重復作業，直至井內沉淀物完全清除。

此工藝適用于不同井徑、井深、液位的供水井，具有較強的經濟性和可操作性。該法可適用于不同深度的供水井，但必須用鉆具連接撈砂筒并循環漿液。注意撈砂時漿液循環時間不得過長，應間斷循環，撈砂筒的深度要隨淤積面做及時調整，并同時回轉鉆具。每次循環時間不超過5min，防止因井內液面升高液柱壓力增大導致漿液中懸浮的砂粒再次進入過濾器或過濾層的孔隙中，堵塞進水通道，使出水量減小。

3.3 泥漿泵清淤法

泥漿泵清淤是采用大流量泥漿泵進行清淤。井內用鉆桿連接，鉆桿底部最前端安裝一個射流水槍，水槍嘴接觸淤層面。開泵送水，通過噴槍射出，將淤砂沖動，淤砂隨著上涌水流沖出地面。隨著清水不斷壓入井內，鉆具不斷下落，直至井底。

該法適用于井徑較小、深度較淺的供水井。對于深度較大的供水井，因漿液循環行程較長，清淤作業時井內漿液上返時雖有較好的攜砂效果，但在液柱壓力作用下，漿液中攜帶的部分砂粒將通過過濾器孔隙再次進入過濾層及含水層孔隙中，影響了洗井效果，造成供水井出水量減小。因此，井深越大或井內淤積物粒徑越粗則受上述影響更加明顯，故此法適用于井深較淺的供水井清淤。

圖3 環狀打撈筒示意圖

3.4 雙泵清淤法

雙泵清淤法的原理是一臺泵向井底供水沖砂，另一臺泵自井內向外抽水排砂，利用高壓水槍把井管內的淤砂沖起與水混合抽出，如此反復循環直至淤砂排完為止。沖砂泵可選用高揚程清水泵或泥漿泵，沖砂管前端裝收縮式圓錐形管嘴并緊靠淤積面。利用潛水電泵產生的高壓射流將井內的沉淀物沖起，經抽水泵排出井口。隨著孔內淤積物深度逐漸降低，將供水管不斷加深，直達井底預定深度，達到清除井內淤積的目的。抽砂泵選用反循環離心泵或砂石泵均可，抽砂泵管口要盡可能接近于沖砂泵管口，才能有效地吸取懸浮濃度最高的砂泥，提高清淤排砂效率，并能有效防止懸浮的泥砂在重力作用下再次進入管外或含水層中。

對于直徑較大和較深的管井，采用雙泵清淤法效果更好，效率更高。此法由于抽排的井水中含有大量泥砂，對水泵及軸套的磨損較為嚴重，且易使水泵電機燒壞，維修保養成本較高。

3.5 空壓機清淤法

空壓機清淤法適用于井深較深，安裝有井管的供水井。對于裸眼成井或淺部未進行止水的供水井，由于孔壁的穩定性較差或可能出現管外返水，故不宜采用直接對口抽（直接將風管下入孔內，孔壁作為出水管）的方法進行吹砂（或洗井）。

空壓機清淤時應將送風管與出水管配合使用，即用一根鋼管（4寸）下入井內，底口距淤積面0.3m左右，再將一根送風管插入出水管內（或與出水管相連接），風管底部連接水氣混合器，混合器高于鋼管底口3m左右，井口出水口處安裝水氣分離裝置。向孔內送入壓縮空氣，使水氣充分混合，由于氣水混合物比重小于1，在大氣壓作用下，井水通過出水管底口進入出水管并上返至地面排出，從而將井內的淤積物攜帶出井口。隨著孔內淤積物深度逐漸降低，將出水管不斷加深，直達井底預定深度，達到清除井內淤積的目的。次法要求供水井有足夠的出水量及水柱高度，否則需向井內注入清水方可連續進行。空壓機清淤作業時，由于井內蓄積了大量的高壓氣體，在管口剛出水瞬間，井內安裝的管材設備會受到較大的震動及沖擊力，故應對其進行徹底固定，防止井管損壞。同時要測試水氣分離器的性能，減輕出水的沖擊力。

空壓機及吹砂清淤設備安裝時，將送風管和出水管采用同心式或并列式均可，送風管下入深度受空氣壓縮機額定工作壓力限制，1個工作壓力上舉水柱高度通常按10m來計算。送風管沉沒比應控制在0.5～0.6為宜，出水管底部應長于送風管3m以上，風管底部需連接一長1m的水氣混合器。如果井深大于100m，則宜采用同心式安裝，出水管的長度以能夠達到孔底淤積物深度為準，見圖4。

圖4 空壓機吹砂清淤示意圖

空壓機清淤法，洗井清淤徹底、效率高，能適應多種井型，但是安裝維修復雜，洗井清淤成本高，一般淺井不宜使用。

3.6 泥漿泵與空壓機聯合清淤法

對于深水井或出水量較小的供水井清淤，為避免孔壁泥皮的二次形成，不宜采用比重較大的泥漿，而采用清水清淤時其攜砂清淤能力通常較差，可將泥漿泵和空壓機聯合使用。

操作方法是，從鉆桿中送入高壓水流沖洗鉆掃井底的淤積物，同時通過空壓機風管向孔內壓風（控制好沉沒比），使攜有大量泥砂的井水從井口排出。如果淤積物砂礫粒徑較粗，應調制密度稍大的泥漿加以循環，即可增強其攜砂能力。清淤至井底處后，向孔內注入大量的清水，并停止泥漿泵送高壓水，配合空壓機抽水將孔內泥漿徹底置換，達到清淤洗井目的。

此法由于涉及的管路較多，不適用于井徑較小的供水井，同時由于安裝于孔內的管路較多，稍有不慎易發生孔內事故，作業時應加以注意。

3.7 氣舉反循環清淤法

3.7.1 工作原理

氣舉反循環清淤,與空壓機洗井清淤原理基本相同，是通過抽汲井內的漿液將淤積物排至井外。由于氣舉反循環方法是將壓縮空氣通過鉆具送至氣水混合器,即壓縮空氣與鉆具內的液體混合形成密度小于井內液體密度的氣液混合物,在鉆具外液柱壓力的作用下氣液混合物上升,使清淤效果更好。作業時，隨著壓縮空氣的不斷送入,井內的液體攜帶泥砂通過鉆頭進入鉆具內,形成連續抽汲井內漿液和巖屑、砂粉的過程,與常規的正循環清淤方法相比,施工效率大幅度地提高,而且井內不易出現卡、埋事故。另外，該法作業對水井的取水層無污染、堵塞,保證了水井的出水能力。

3.7.2 技術要點

氣舉反循環清淤具有以下技術特點：

（1）由于沖洗液在鉆具內流速較高(一般大于2m/s),所以能攜帶較大顆粒的泥砂等淤積物,清淤速度快、效果好。

（2）氣舉反循環清淤不會堵塞含水層,可有效提高水井出水量。

（3）井深小于50m時,氣舉反循環鉆進不易實現或鉆進效率很低。

（4）氣舉反循環鉆進需要的鉆具較復雜,鉆具重量較大。

3.7.3 注意事項

清淤時應注意以下事項：

（1）必須保證雙壁鉆具的沉沒比大于60%,尾管比(單壁鉆具長度與動水位以下的雙壁鉆具長度比)應小于10,以取得好的攜帶泥砂效果。

（2）鉆具要上緊絲扣,密封要好,特別要注意不能使用刺穿的單壁鉆具,以免形成短路循環,發生燒鉆、埋鉆等事故。

（3）開始送風之前,鉆頭要提離井底30～50cm,防止鉆頭水眼被堵塞。待排出的漿液較清潔后,再將鉆頭緩慢下放井底。

（4）清淤時,要根據返出漿液中的泥砂濃度,適當地控制下鉆速度,切勿突然停止送風。

（5）停鉆之前要將鉆頭稍稍提離井底,待漿液中基本不含泥砂時再停止送風。

（6）要注意觀察排出漿液的情況。如漿液量變小,可能是鉆頭、鉆具內眼發生了堵塞,或漿液中泥砂過多；如漿液中不含泥砂,可能是鉆具太短,或井底沒有泥砂,或井底泥砂顆粒較大漿液攜帶不上來。遇到這些情況,應及時查找原因及時處理。

（7）要密切觀察空壓機的風壓和出水口的出水量、出風量,發現異常正確分析及時處理。