贴砾过滤器在水井工程中的应用
刘志国1,常进财2
(1.河南省地质工程公司,河南郑州450053;2.郑州水资源办公室,河南郑州450000)
摘　要:采用传统的过滤器在细颗粒地层中成井,主要问题是钻井口径大、成本高,并且容易出现投砾困难或涌砂等问题。通过工程实例,分析了贴砾过滤器的技术特点、经济效益以及防腐机理,理论分析和实践证明:贴砾过滤器具有广阔的应用前景。
关键词:水井;贴砾过滤器;涌砂;腐蚀
中图分类号:TU991.12　　文献标识码:B　　文章编号:1000-3746(2001)S1-0205-03
1　现状与问题
目前,国内地下深层水资源开发利用的主要手段是钻井工程,其中取水段过滤器形式有缠丝、笼状、缝隙、桥式等。在河南的水井工程中最早使用的是缠丝和笼状过滤器,最近几年在深井工程施工中普遍选择桥式过滤器,在300m以内的浅井施工中大多使用缠丝过滤器。其普遍存在的问题是:水井工程质量难以保证(主要出现涌砂问题)、成井口径大、成本高、效率低、工人劳动强度大、井管容易腐蚀破裂、适用范围小等。具体比较见表1。


尽管几年来各种过滤器不断反复使用,但是仍没有从根本上解决水井的涌砂、成井速度低、事故频繁等问题。有些施工队伍为了解决水井的涌砂问题,在施工设计和具体操作中通过增大钻井口径(增加填砾厚度)的办法来防止涌砂。虽然有一定效果,但无疑也增加了设备磨损和负荷,钻井周期和事故发生率也同时增大,无论是在经济效益方面还是在工人劳动强度方面都是得不偿失的。20世纪70年代开始,地质矿产部大力推广使用贴砾滤水管,但由于产品的力学性能指标和生产工艺等方面原因,致使这项技术一直未推广应用。其主要问题是:
(1)贴砾层强度低、塑性差,安装使用时容易破损或掉块;
(2)生产工艺复杂,成本高;
(3)材料选择和砾料级配不合理,在一些细颗粒地层成井时仍不能防止涌砂;
(4)受传统观念束缚,创新意识差。
上述几方面的原因束缚和限制了技术的创新和发展。针对这些情况和问题,我们从1995年开始对传统的钻井和成井工艺及技术进行研究和创新。大胆采用新产品和新技术,一方面进行贴砾过滤器研制和地热(深)井成井工艺试验,另一方面继续进行桥式过滤器成井工艺的创新。通过几年的实践证明:贴砾过滤器在水井工程中应用具有显著的优点和前景。
2　贴砾滤水管应用实例
从1995年开始,我们对容易出现涌砂和成井效率低、事故频繁的河南郑州、开封及安徽等地的细颗粒地层进行了贴砾过滤器应用和有关技术、工艺的生产性试验,其成果显著,其中包括在旧井处理工程、地热(深)井工程、普通供水井工程中的应用。
2.1　开封地热井工程实例
2.1.1　地层及钻井特点
地层主要由粉细砂、细砂、粘土等组成。钻井过程中上部或中部地层遇水后常发生坍塌、缩径、吸钻等问题,明显的特征是地面塌陷、投砾时滤料不到位或“架桥”等。
2.1.2　钻井结构设计
井深1200m;井径:0~150m为450mm,150~1200m为311mm;管径:0~150m为273mm,150~1200m为159mm;选择Φ159/200mm贴砾滤水管。成井结构见图1,贴砾滤水管见图2。


2.1.3　成井工艺
钻井—冲孔换浆—下管—固井—洗井—抽水试验。
2.1.4　工期
总工期35天。其中钻井24天,安装2天,冲孔换浆1天,下管固井2天,洗井1天,抽水试验3天,辅助时间2天。
2.1.5　成井质量及参数
成井质量完全满足合同及有关技术要求,水清砂净,水质符合国家有关标准。水量Q>50t/h,水温T=50℃。
2.2　效益分析与对比
2.2.1　钻井效率
传统的成井工艺必须在钻孔后再扩孔,采用贴砾过滤器成井则无须扩孔,仅用Φ450mm和Φ311mm钻头一次成井。工艺流程上减少了扩孔、二次冲孔换浆、投砾3道工序,可大大提高钻井效率。同样技术条件和地层情况下,与桥式过滤器成井相比可缩短工期10~20天。
2.2.2　钻井成本
传统工艺扩孔时需配备Φ550mm和Φ450mm钻头各2~3个,每个深1000m左右的水井工程其钻头费用增加2万元;施工期间人员工资、设备折旧、管理费、水电费等费用约为1500元/天;由于传统的工艺施工周期长,故增加1.5~3万元的综合费用。若采用贴砾过滤器成井工艺,每眼千米地热深井可节约费用3.5~5万元。尽管贴砾过滤器的每米成本高于桥式过滤器,但是,与传统的方法相比却省去了砾料购置和运输费,同时缩小了钻井口径和施工工期,在综合成本上还是经济合算的。
2.2.3　设备负荷与事故发生率
传统的成井工艺,由于钻井口径大和频繁起下钻具,势必增加了设备的负荷和扭矩,容易加速局部零件磨损和钻杆的疲劳破坏,井内事故率也大大提高。统计表明:传统的成井工艺设备维修和事故处理所发生的费用平均每个井在5000~20000元。
综上所述,选择新的成井材料和技术方法有显著的优势和特点,它在确保工程质量的情况下,可以大大提高钻井效率,降低成本和工人劳动强度。
3　贴砾过滤器的防腐作用
3.1　金属井管腐蚀类型
金属井管普遍存在的问题之一是腐蚀穿孔,特别是在环境生态和地下水逐年恶化的条件下,金属井管由于腐蚀速度过快,致使水井使用寿命急剧下降。如:河南省农业科学院地热井、开封蔚氏棉麻公司地热井、郑州柳林温泉地热井、郑州污水处理厂地热井等都是在使用不到3年就出现井管腐蚀穿孔问题。金属井管腐蚀类型主要有以下几种。
3.1.1　溶解氧浓度差腐蚀
由井内溶解氧浓度不同而引起的腐蚀。一般情况下,井内0~动水位以下30m溶解氧浓度最高,以下200m居中,井底溶解氧浓度最低。由于在同一井内的溶解氧浓度不同,则可形成浓度差电池,从而发生氧化还原反应。所有水井都存在该类型的腐蚀。
3.1.2　应力腐蚀
由于应力存在而引起的腐蚀。井管焊接时产生的焊接应力、下管时的拉应力、地层的压应力、滤水管加工过程中产生的应力等都能引起应力腐蚀。
3.1.3　磨损腐蚀
由于滤水管进水时,水流对孔隙处产生一定的冲击作用,在冲击作用下,孔隙逐渐腐蚀增大。当流速过高和含砂量大时,其磨损腐蚀加剧。
3.1.4　缝隙(垢下)腐蚀
当井内存在胶结物或沉淀时,则发生缝隙(垢下)腐蚀。胶结物或沉淀与腐蚀相辅相成,二者同时存在。胶结物或沉淀越多,腐蚀速度越快。
3.1.5　选择性腐蚀
井管材料不一时,形成原电池而产生的腐蚀。如:渡锌桥式滤水管、缠丝滤水管等,其材料不同(电极电位不同),则可产生氧化还原反应。
3.1.6　穿孔腐蚀
当地下水中氯离子和硫酸根离子含量高时,则引起穿孔腐蚀。
上述几种类型的腐蚀几乎同时存在,也就是说金属井管不是单一的腐蚀,而是多种类型的联合腐蚀。并且,其腐蚀速度与温度成正比关系。这一点也说明了地热井井管腐蚀速度过高的原因。
3.2　贴砾过滤器防腐机理
贴砾过滤器的外层是由LL-2高分子材料和滤料加工制成,并有较高的抗压、抗弯和抗剪强度。即便是衬管存在局部腐蚀或穿孔,但外层不存在腐蚀问题。所以,地层中的泥沙不会因此进入井内而造成涌砂或污染。
4　贴砾过滤器特点
综上所述,贴砾过滤器主要具有以下特点:
(1)缩小钻井口径、减少成井工序、减少设备磨损和负荷,从而提高了设备的使用寿命和钻井工程效率;
(2)解决了投砾厚薄不均和投砾过程中的颗粒分选问题;
(3)可在地热井、旧井处理、斜井(或定向井)、水平辐射井等工程中应用,从而拓宽了适用范围和领域;
(4)具有防腐作用;
(5)可降低钻井综合成本和工人的劳动强度。
5　展望与建议
上述的分析和实际应用说明:贴砾过滤器可有效提高水井使用寿命,具有广阔的应用前景。为此,结合国内实际情况和现有产品存在的问题,进行新型贴砾过滤器的研制和开发势在必行。具体建议:
(1)各级领导和部门重视技术创新和新技术、新产品的研究与开发工作;
(2)贴砾过滤器的制造工艺和材料选择还需进一步研究和创新;
(3)贴砾过滤器辅助产品有待于开发和配套;
(4)产品制造中的环境问题亟待解决;
(5)设计与配方实行优选法或计算机信息处理。