廖云平++董平++彭海游+++文光菊
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.054
摘 要：重庆市红层找水民心工程有效缓解了缺水区约698.6万农村分散居民的饮用水困难。随着机井使用年限的增长，井底沉砂不断淤积导致井内出水量逐年减少，为解决该问题本文提出了沉砂筒-空压机联合洗井技术并进行了室内模型试验研究，得到了沉砂筒高度、沉砂筒质量以及空压机气阀开度与洗井效果相关性较强以及最优沉砂筒直径为110mm，最优空压机气阀开度为2/3和最优沉砂筒高度不小于80cm的有益结论。
关键词：红层机井 井底沉砂 洗井 重庆
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0054-04
重庆市红层找水工程实施以来累计打井276373口，解决了100多万人饮水困难问题。然而根据多年红层找水工作經验，人们往往注重机井开采施工技术和成井质量，而对机井维护缺乏重视，导致大量机井在使用2年以上便出现了井底沉砂淤积、渗流管道堵塞、出水量和出水速度减少、水质变差等问题，严重影响了红层区机井的正常使用，开展红层机井洗井维护工作已势在必行。
目前，相关学者对红层浅机井做过大量科学研究[1]。在机井使用功能退化机理方面，机井出水量逐年减小的主要原因在于滤水管和渗流通道产生物理堵塞与化学堵塞所造成[2]；除上述原因外浅层机井出水量减小的原因还包括成井后清洗不彻底导致井底沉砂淤积、井壁泥皮附着从而堵塞了有效渗流管道[3]。在红层浅机井洗井技术方面，目前主要有高压射流洗井、化学剂洗井、压风机洗井、液态二氧化碳洗井和活塞洗井等技术[4]，同时有学者总结提出掏砂洗井清淤法与联合洗井清淤法，其中掏砂清淤法主要有掏砂管清淤、捞砂管清淤，联合洗井清淤法主要有单泵循环大降深抽水、双泵清淤、串联双泵洗井清淤、泥浆泵与空压机联合清淤等方法[2]；除上述常规洗井技术外，有学者研发了一类新型固体燃气洗井器，利用该洗井器可一定程度上提高了洗井效率，增强洗井工艺的轻便快捷性，缩短施工周期[5]。
上述各类洗井技术均有其各自的优缺点和适应性，比如：空压机洗井和二氧化碳洗井存在洗井费用高、设备安装和操作流程复杂，较适用于砂砾层地层；活塞洗井和水泵洗井历时较长，施工工艺复杂，较适用于砂岩地层；而化学洗井和固体燃料洗井则存在原材料运输和携带不便以及可能对地下水产生二次污染等问题。
重庆市红层浅机井具有分布范围广，数量多，位置零散的特点，部分机井交通极其不便且周边缺乏充沣的地表水源，上述各项客观限制条件使得重庆市红层区浅机井洗井技术必须同时具备洗井设备轻巧以方便运输和搬运，洗井所用材料需获取方便快捷，洗井时间短且费用低，洗井效果良好等特点。为解决上述问题，本文采用沉砂筒-空压机联合洗井技术并通过室内模型试验和现场实践应用开展了重庆市红层区浅机井洗井技术试验研究。
1 沉砂筒-空压机联合洗井技术
1.1 技术原理
沉砂筒-空压机联合洗井技术主要利用空压机产生高压气流将井底沉积的泥砂冲散，同时在高压气体作用下，迫使冲散后的泥砂水体通过沉砂筒与井内壁之间的通道往上流动，当流过沉砂筒后由于过流面积增大，水体流速降低，从而导致其携带泥砂的能力降低，在泥砂通过狭窄通道时主要以高速水流主导，当水流流速降低后泥砂便以自重为主导，从而在自重作用力下掉头向下沉积在沉砂筒内，最后将沉砂筒提出井外，实现了井底沉砂打捞的目的，同时该技术在利用空压机冲洗时井内气体在往上运动过程中会引起井内水体产生紊动，含气水体的紊动效应会与井壁间产生相互摩擦和震荡，从而达到清洗井壁风化泥砂和残积泥皮的效果，实现一定程度疏通井壁渗流通道的目的。
1.2 影响因素分析
运用沉砂筒-空压机联合洗井技术洗井效果影响因素主要包括沉砂筒直径、沉砂筒高度、沉砂筒质量和空压机性能4个方面。
沉砂筒直径大小直接影响到沉砂筒与井壁周边的过流面积和泥砂有效沉积面积，沉砂筒直径越大，过流面积越小，有效沉积面积则越大，反之则越小；沉砂筒越高单次沉砂容量越大，但泥砂过流长度增加使得部分泥砂可能出现反流，无法有效沉积到筒内；沉砂筒质量越大，越有利于沉砂筒在自重作用下不断往深部冲洗，但会在一定程度上增加提升沉砂筒的困难；空压机性能主要表现在产气量和工作压强两方面，产气量和压强越大时越有利于将井底沉砂冲散，含气水流的紊动效应越明显，对井壁的摩擦和震荡越充分，但会在一定程度上影响沉砂的有效沉积，原因在于泥砂沉降需要较为稳定的环境。
2 室内模型试验
基于沉砂筒-空压机联合洗井技术，为进一步分析和量化沉砂筒直径、高度、质量以及空压机性能对洗井效果的影响，寻找出较忧的沉砂筒尺寸特征，本文进行了基于沉砂筒-空压机联合洗井技术室内模型试验。
2.1 试验工况
本次试验主要研究沉砂筒直径、高度、质量以及空压机性能对洗井效果的影响，故针对上述四类影响因素，拟定的试验工况见表1，每类工况冲洗时间为5min，停机后沉积时间为1min，其中沉砂筒质量的增加是通过往筒内增加相应质量碎石所实现。
2.2 试验模型
根据重庆市红层机井竣工资料，机井套管以尺寸为170mm，套管以下基岩段机井尺寸为130mm，本次试验为便于观察洗井现象，采用直径为130mm，长度为2m的有机玻璃管模拟机井基岩段。通过野外红层机井调查发现红层机井内沉积的泥砂直径平均约0.05～0.1mm，属于粉砂～细砂类，本次用于模拟井底沉砂的材料是通过采用孔径为0.25mm的筛网筛分出的石英砂，同时为模拟机井内泥岩风化产物，在石英砂内添加有5%的粘土颗粒，粘土颗粒和石英砂在有机玻璃管内的填充长度为0.8m，沉砂段以上灌满清水，水位标高1.8m，整个模型用膨胀螺丝稳固在墙上，如图2所示。endprint
2.3 试验设备及方法
根据拟定工况要求，本次试验共制作了6个沉砂筒，直径分别为90mm（高度50cm）、100mm（高度50cm）、110mm（高度30cm、50cm、80cm）和120mm（高度50cm），筒底部封闭，中间穿过一根直径为12mm的钢管，钢管通过高压软管与空压机连接用于向井内输送高压气流；试验所用的空压机为小型空压机，最高气压为0.8MPa，产气量为0.12m3/min，如图3所示。
试验前先按要求连接好各设备，并进行密闭性检查，待一切正常后按工况要求开启空压机并把气阀开关设置为指定位置，将沉砂筒匀速放进有机玻璃管内，让沉砂筒在自重作用下沉到底部，此時开时计时，5min后关闭空压机并让吹散的泥砂自然沉降1min，缓慢提出沉砂筒并用刻度尺量取筒内沉砂段顶面到沉砂筒顶端的长度进而通过换算得到打捞的沉砂体积；重复上述过程，直至完成各工况试验。
3 试验结果分析
通过11组室内模型试验，得到的试验结果见图4～图7，各工况下洗井效果通过沉砂筒打捞沉砂体积大小来量化计算。
从图4试验结果可看出，沉砂筒打捞沉砂体积随着沉砂筒直径呈先增加后减小的趋势，当沉砂筒直径为110mm时，在其他各影响因素相同的情况下所打捞的沉砂体积最多，表明通过模型试验所得到的最优的沉砂筒直径为110mm；从整体曲线变化趋势上分析，在直径小于110mm前，沉砂筒有效沉积面积对最终沉积体积占主要影响因素，在超过最优直径后过流面积则逐渐成为影响最终沉积体积的主导因素，该试验结果与本文1.2节中的分析结论较为吻合，但从最终四类工况所打捞的沉砂体积上分析，各工况间相差较小，表明沉砂筒直径在90～120mm间对最终沉砂打捞体积的影响较小。
从图5中可看出，沉砂筒打捞沉砂的体积随沉砂筒高度的增加呈现出不断增大的变化趋势，由于工况数量偏少，试验未能得出最优的沉砂筒高度值，但从三类工况条件下所得到的最终沉砂体积可看出，沉砂筒高度对最终沉砂打捞体积的影响较大，两者间的相关性较强，同时还可得到，最优沉砂筒高度应不小于80cm。
从图6中可看出，沉砂筒打捞沉砂的体积随沉砂筒质量的增加呈现出不断增大的变化趋势，但增幅有所减小，由于工况数量偏少，试验未能得出最优的沉砂筒质量值，但从三类工况条件下所得到的最终沉砂体积可看出，沉砂筒高度对最终沉砂打捞体积的影响较大，两者间的相关性较强，表明沉砂筒越重，其在自重作用下对井底沉砂的吹散作用更充分。
从图7中可看出，最优的空压机气阀开度为2/3，当开度过小或全开时均会对最终沉砂打捞效果产生副作用，当开度太小时，出气量太小导致无法有效冲散井底泥砂并将泥砂输送到筒口以上；当全开时，从试验过程中可发现整个沉砂筒内水气流紊动现象极为强烈，沉砂筒顶部以上部含砂水体不停地作翻滚运动，此时泥砂受紊动水流影响仅少部分沉积到筒内，大部分泥砂在筒壁与井壁间的过流断面内做着往返运动。
4 结论
（1）通过沉砂筒-空压机联合洗井室内模型试验，研究了沉砂筒直径、沉砂筒高度、沉砂筒质量以及空压机气阀开度四类的主要影响因素与洗井效果间的量化关系，试验结果表明，洗井效果对沉砂筒直径不敏感，而其他三类影响因素与洗井效果相关性较强。
（2）室内模型试验最终得到最优沉砂筒直径为110mm，最优空压机气阀开度为2/3以及最优沉砂筒高度不小于80cm。
（3）本文的不足之处在于未能通过试验得出最优沉砂筒高度及最优沉砂筒质量，后期将对模型试验进行进一步补充和完善，同时将基于模型试验结果，选取红层机井进行实例验证。
参考文献
[1]王欣.灌溉机井病损类型成因和修复措施[J].河南水利与南水北调，2015（2）：24，26.
[2]李成民，葛月兰.浅谈机井维护与增水措施[J].排灌机械，2001（2）：25-26，28.
[3]朱一涵.几种机械洗井方法的适用条件和效用[J].勘察科学技术，1990（5）：43-45.
[4]程志忠.几种洗井方法在水文钻井中的应用[J].西部探矿工程，2008（9）：104-105.
[5]关洪军，朱大奎，官磊.固体燃气洗井器试验效果分析[J].南京大学学报：自然科学版，2007（2）：212-220.endprint
