1、現狀與問題

　　目前,國內地下深層水資源開發利用的主要手段是鉆井工程,其中取水段過濾器形式有纏絲、籠狀、縫隙、橋式等。在河南的水井工程中最早使用的是纏絲和籠狀過濾器,最近幾年在深井工程施工中普遍選擇橋式過濾器,在300 m以內的淺井施工中大多使用纏絲過濾器。其普遍存在的問題是:水井工程質量難以保證(主要出現涌砂問題)、成井口徑大、成本高、效率低、工人勞動強度大、井管容易腐蝕破裂、適用范圍小等。具體比較見表1。

　　盡管幾年來各種過濾器不斷反復使用,但是仍沒有從根本上解決水井的涌砂、成井速度低、事故頻繁等問題。有些施工隊伍為了解決水井的涌砂問題,在 施工設計和具體操作中通過增大鉆井口徑(增加填礫厚度)的辦法來防止涌砂。雖然有一定效果,但無疑也增加了設備磨損和負荷,鉆井周期和事故發生率也同時增 大,無論是在經濟效益方面還是在工人勞動強度方面都是得不償失的。20世紀70年始,地質礦產部大力推廣使用貼礫濾水管,但由于產品的力學性能指標和生產 工藝等方面原因,致使這項技術一直未推廣應用。其主要問題是:

　　(1)貼礫層強度低、塑性差,安裝使用時容易破損或掉塊;

　　(2)生產工藝復雜,成本高;

　　(3)材料選擇和礫料級配不合理,在一些細顆粒地層成井時仍不能防止涌砂;

　　(4)受傳統觀念束縛,創新意識差。

　　上述幾方面的原因束縛和了技術的創新和發展。針對這些情況和問題,我們從1995年開始對傳統的鉆井和成井工藝及技術進行研究和創新。大膽采用 新產品和新技術,一方面進行貼礫過濾器研制和地熱(深)井成井工藝試驗,另一方面繼續進行橋式過濾器成井工藝的創新。通過幾年的實踐證明:貼礫過濾器在水 井工程中應用具有顯著的優點和前景。

　2、貼礫濾水管應用實例

　　從1995年開始,我們對容易出現涌砂和成井效率低、事故頻繁的河南鄭州、開封及安徽等地的細顆粒地層進行了貼礫過濾器應用和有關技術、工藝的生產性試驗,其成果顯著,其中包括在舊井處理工程、地熱(深)井工程、普通供水井工程中的應用。

　　2.1　開封地熱井工程實例

　　2.1.1　地層及鉆井特點

　　地層主要由粉細砂、細砂、粘土等組成。鉆井過程中上部或中部地層遇水后常發生坍塌、縮徑、吸鉆等問題,明顯的特征是地面塌陷、投礫時濾料不到位或“架橋”等。

　　2.1.2　鉆井結構設計

　　井深1200 m;井徑:0~150 m為450 mm,150~1200 m為311 mm;管徑:0~150 m為273 mm,150~1200 m為159 mm;選擇Φ159/200 mm貼礫濾水管。成井結構見圖1,貼礫濾水管見圖2。

　　2.1.3　成井工藝

　　鉆井—沖孔換漿—下管—固井—洗井—抽水試驗。

　　2.1.4　工期

　　總工期35天。其中鉆井24天,安裝2天,沖孔換漿1天,下管固井2天,洗井1天,抽水試驗3天,輔助時間2天。

　　2.1.5　成井質量及參數

　　成井質量完全滿足合同及有關技術要求,水清砂凈,水質符合國家有關標準。水量Q>50 t/h,水溫T=50℃。

　　2.2　效益分析與對比

　　2.2.1　鉆井效率

　　傳統的成井工藝必須在鉆孔后再擴孔,采用貼礫過濾器成井則無須擴孔,僅用Φ450 mm和Φ311mm鉆頭一次成井。工藝流程上減少了擴孔、二次沖孔換漿、投礫3道工序,可大大提高鉆井效率。同樣技術條件和地層情況下,與橋式過濾器成井相比可縮短工期10~20天。

　　2.2.2　鉆井成本

　　傳統工藝擴孔時需配備Φ550 mm和Φ450 mm鉆頭各2~3個,每個深1000 m左右的水井工程其鉆頭費用增加2萬元;施工期間人員工資、設備折舊、管理費、水電費等費用約為1500元/天;由于傳統的工藝施工周期長,故增加 1.5~3萬元的綜合費用。若采用貼礫過濾器成井工藝,每眼千米地熱深井可節約費用3.5~5萬元。盡管貼礫過濾器的每米成本高于橋式過濾器,但是,與傳 統的方法相比卻省去了礫料購置和運輸費,同時縮小了鉆井口徑和施工工期,在綜合成本上還是經濟合算的。

　　2.2.3　設備負荷與事故發生率

　　傳統的成井工藝,由于鉆井口徑大和頻繁起下鉆具,勢必增加了設備的負荷和扭矩,容易加速局部零件磨損和鉆桿的疲勞破壞,井內事故率也大大提高。統計表明:傳統的成井工藝設備維修和事故處理所發生的費用平均每個井在5000~20000元。

　　綜上所述,選擇新的成井材料和技術方法有顯著的優勢和特點,它在確保工程質量的情況下,可以大大提高鉆井效率,降低成本和工人勞動強度。

3、貼礫過濾器的防腐作用

　　3.1　金屬井管腐蝕類型

　　金屬井管普遍存在的問題之一是腐蝕穿孔,特別是在環境生態和地下水逐年惡化的條件下,金屬井管由于腐蝕速度過快,致使水井使用壽命急劇下降。 如:河南省農業科學院地熱井、開封蔚氏棉麻公司地熱井、鄭州柳林溫泉地熱井、鄭州污水處理廠地熱井等都是在使用不到3年就出現井管腐蝕穿孔問題。金屬井管 腐蝕類型主要有以下幾種。

　　3.1.1　溶解氧濃度差腐蝕

　　由井內溶解氧濃度不同而引起的腐蝕。一般情況下,井內0~動水位以下30 m溶解氧濃度最高,以下200 m居中,井底溶解氧濃度最低。由于在同一井內的溶解氧濃度不同,則可形成濃度差電池,從而發生氧化還原反應。所有水井都存在該類型的腐蝕。

　　3.1.2　應力腐蝕

　　由于應力存在而引起的腐蝕。井管焊接時產生的焊接應力、下管時的拉應力、地層的壓應力、濾水管加工過程中產生的應力等都能引起應力腐蝕。

　　3.1.3　磨損腐蝕

　　由于濾水管進水時,水流對孔隙處產生一定的沖擊作用,在沖擊作用下,孔隙逐漸腐蝕增大。當流速過高和含砂量大時,其磨損腐蝕加劇。

　　3.1.4　縫隙(垢下)腐蝕

　　當井內存在膠結物或沉淀時,則發生縫隙(垢下)腐蝕。膠結物或沉淀與腐蝕相輔相成,二者同時存在。膠結物或沉淀越多,腐蝕速度越快。

　　3.1.5　選擇性腐蝕

　　井管材料不一時,形成原電池而產生的腐蝕。如:渡鋅橋式濾水管、纏絲濾水管等,其材料不同(電極電位不同),則可產生氧化還原反應。

　　3.1.6　穿孔腐蝕

　　當地下水中氯離子和硫酸根離子含量高時,則引起穿孔腐蝕。

　　上述幾種類型的腐蝕幾乎同時存在,也就是說金屬井管不是單一的腐蝕,而是多種類型的聯合腐蝕。并且,其腐蝕速度與溫度成正比關系。這一點也說明了地熱井井管腐蝕速度過高的原因。

　　3.2　貼礫過濾器防腐機理

　　貼礫過濾器的外層是由LL-2高分子材料和濾料加工制成,并有較高的抗壓、抗彎和抗剪強度。即便是襯管存在局部腐蝕或穿孔,但外層不存在腐蝕問題。所以,地層中的泥沙不會因此進入井內而造成涌砂或污染。

4、貼礫過濾器特點

　　綜上所述,貼礫過濾器主要具有以下特點:

　　(1)縮小鉆井口徑、減少成井工序、減少設備磨損和負荷,從而提高了設備的使用壽命和鉆井工程效率;

　　(2)解決了投礫厚薄不均和投礫過程中的顆粒分選問題;

　　(3)可在地熱井、舊井處理、斜井(或定向井)、水平輻射井等工程中應用,從而拓寬了適用范圍和領域;

　　(4)具有防腐作用;

　　(5)可降低鉆井綜合成本和工人的勞動強度。

5、展望與建議

　　上述的分析和實際應用說明:貼礫過濾器可有效提高水井使用壽命,具有廣闊的應用前景。為此,結合國內實際情況和現有產品存在的問題,進行新型貼礫過濾器的研制和開發勢在必行。具體建議:

　　(1)各級領導和部門重視技術創新和新技術、新產品的研究與開發工作;

　　(2)貼礫過濾器的制造工藝和材料選擇還需進一步研究和創新;

　　(3)貼礫過濾器輔助產品有待于開發和配套;

　　(4)產品制造中的環境問題亟待解決;

　　(5)設計與配方實行優選法或計算機信息處理。