地?zé)?/a>作為一種新型的潔凈資源和能源,廣泛應(yīng)用于洗浴、醫(yī)療保健、供暖、發(fā)電、種植與養(yǎng)殖、礦泉飲用等領(lǐng)域。隨著社會文明程度的進(jìn)一步提高和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,愈來愈多相關(guān)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用項目逐漸增多,特別是北京、天津、西安等地發(fā)展較快,并形成一定的規(guī)模。其他地區(qū)如河南鄭州、開封、洛陽、漯河、周口、鶴壁,安徽的阜陽、亳洲等地,近年來,在地?zé)豳Y源開發(fā)利用方面也正在興起。由于地?zé)豳Y源的大規(guī)模開發(fā)利用,無論是社會效益、經(jīng)濟(jì)效益,還是環(huán)境效益方面都取得了顯著的效果。但是,就目前的施工技術(shù)來看,在其工藝和材料選擇等方面還存在著一定的差距和不足,這些問題的存在將直接影響著地?zé)峋?/a>的使用壽命和地質(zhì)環(huán)境。

 

  1地?zé)峋?/a>施工技術(shù)現(xiàn)狀

 

  目前在國內(nèi)從事地?zé)徙@井施工的主要有石油、煤田、地礦等系統(tǒng),除此之外還有民營的一些股份公司或個體,其中石油系統(tǒng)以設(shè)備的優(yōu)勢占據(jù)著較大的市場。從鉆井深度上來看,目前的地?zé)?/a>井深度一般在1000~4000m之間,地?zé)崃黧w溫度多數(shù)在40~100之間,鉆探所遇地層主要是第四系、第三系、二迭系、三迭系、石炭系、奧陶系等。在鉆井工藝方面各有特色和千秋,其共同點是:基本都以正循環(huán)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為主,鉆頭為三牙輪(鑲齒或鋼齒)。主要的不同點是:石油、煤田和地礦系統(tǒng)的鉆井工藝 都具有行業(yè)特點,主要反應(yīng)在鉆井結(jié)構(gòu)、固井止水、成井材料等方面.

 

  從目前地?zé)峋?/a>使用的情況來看,石油和煤田系統(tǒng)采用的水泥固井和石油套管較為合理,而地礦系統(tǒng)采用的投礫或下入貼礫濾水管較為合理。無論怎樣,對國內(nèi)多數(shù)地區(qū)地?zé)峋?/a>調(diào)查和檢測的結(jié)果顯示,在目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,地?zé)?/a>井常見的主要問題是:水量逐年減少和金屬井管腐蝕破裂、錯位。腐蝕破裂或錯位的地?zé)?/a>井又同時引發(fā)涌砂、出混水、水溫下降、水質(zhì)惡化、水量逐漸減少,甚至導(dǎo)致區(qū)域性的地下深層水的污染或地面沉降。

 

  2地?zé)峋３霈F(xiàn)的主要問題與成因分析

 

  地?zé)峋谡Ｊ褂?~6年后均會出現(xiàn)水量減少、井管腐蝕破裂或錯位(水溫下降、涌砂或出混水、水質(zhì)惡化)等問題。對于石油、煤田系統(tǒng)施工的地?zé)峋畞碚f,一般容易出現(xiàn)水量減少問題;而對于地礦系統(tǒng)施工的地?zé)峋畡t容易出現(xiàn)水溫下降、涌砂或出混水、水質(zhì)惡化等問題,特別是在河南,這類問題幾乎在使用2~3年后便出現(xiàn)。導(dǎo)致這些問題有的是客觀上的因素,有的則是由于鉆井工藝和材料選擇等方面的原因。

 

  21水量減少

 

  所有水井正常使用2~6年后都會不同程度地導(dǎo)致水量減少,特別是地?zé)峋鼮閲?yán)重。其成因和類型較多,主要有以下幾方面。

 

  211客觀原因

 

  (1)地層中的固體物(粘土、砂等顆粒)、水中的有機物等在水流和重力作用下沉淀井底,造成淤積而掩埋或充填含水層。

 

  (2)地下水中含有大量的Ca2+和Mg2+等,這些陽離子與水中的碳酸根和硫酸根等陰離子反應(yīng)生成沉淀物充填到裂隙并膠結(jié)成垢,造成含水層堵塞。

 

  (3)地下水中的鐵離子在缺氧情況下主要以Fe2+(無色)形式存在,當(dāng)抽水過程中或在靜水位和動水位之間水與空氣接觸時,水中的Fe2+ 轉(zhuǎn)化為Fe3+,以Fe(OH)3黃色沉淀物出現(xiàn),常年累計則可產(chǎn)生大量的Fe(OH)3沉淀物與其他沉積物一起形成化學(xué)淤泥而沉積在井內(nèi),逐步減小水井的有效深度,并掩埋部分濾水管(進(jìn)水通道),從而造成水量逐年減少。

 

  (4)地下金屬井管腐蝕和結(jié)垢是普遍存在的問題,井內(nèi)沉淀膠結(jié)會加速金屬腐蝕,腐蝕產(chǎn)物又會形成新的結(jié)垢物,二者同時伴生。特別是腐蝕產(chǎn)物形成的結(jié)垢物充填在濾水管縫隙中并具很高的強度,堵塞了地層的進(jìn)水通道。

 

  (5)井內(nèi)堵塞的另一種因素還有微生物粘泥。在井內(nèi)產(chǎn)生這種堵塞物的微生物主要是鐵細(xì)菌(好氧菌)和硫酸鹽還原菌(厭氧菌),這些微生物一方面因為自身大量繁殖產(chǎn)生結(jié)垢;另一方面其分泌物產(chǎn)生微生物粘泥與其他固體物混合粘附在井壁上而形成膠結(jié)物。井管中上部最常見的桔黃色凸?fàn)钿P瘤則是由于鐵細(xì)菌大量生長繁殖而引起。鐵細(xì)菌包括:嘉氏鐵桿菌(Gallionella)、球衣細(xì)菌(Sphaerotilus)、鞘鐵細(xì)菌(Siderocapsa)和泉發(fā)菌(Crenothrix)等。鐵細(xì)菌繁殖的條件是:在含鐵的水中生長;通常被包裹在鐵的化合物中。鐵細(xì)菌是好氧菌,但也可在氧含量<05mg/L的水中生長,最終生成體積很大的紅棕色的粘性沉積物銹瘤(主要成分是Fe2O3),其原理是:鐵細(xì)菌能使水中的亞鐵離子轉(zhuǎn)化為不溶于水的三氧化二鐵的水合物:

 

  2Fe2++15O2+XH2OFe2O3XH2O另外,由于鐵細(xì)菌的大量繁殖,產(chǎn)生銹瘤堵塞井管的同時,也容易使井管出現(xiàn)許多溶解氧濃差電池,而造成井管的局部腐蝕.(6)水位下降。城市大量無序地開采地下水,使地下水下降速度過快而造成地下水資源枯竭。

 

  212鉆井工藝方面的原因

 

  (1)井管下入后不投礫。有的地區(qū)地?zé)峋谙虏坎煌兜[,僅下入技術(shù)套管或濾水管。這種成井工藝在部分穩(wěn)定的基巖內(nèi)可行,但是在一些遇水膨脹、剝落、掉塊或易產(chǎn)生應(yīng)力釋放的巖層,如頁巖、泥巖、砂巖等地層,如果不投礫進(jìn)行圍填或隔離,則在一定時間內(nèi)由于吸水或應(yīng)力釋放而形成巖層的膨脹、剝落、掉塊,從而逐漸造成井下環(huán)狀間隙淤積和堵塞,最終導(dǎo)致含水層的封閉和不出水。這種現(xiàn)象一般在1~3年內(nèi)即可出現(xiàn),隨后水量逐年衰減,如西安交大的1700、2500m和陜西賓館的3800、1450m地?zé)峋畡t屬此類型,特別是陜西賓館的3800m地?zé)峋谑褂貌坏?年就出現(xiàn)了水量急劇衰減問題。上述的地?zé)峋际窃谙鹿芎笪刺畹[料,并且水量衰減幅度較大(原水量都在50~80t/h,現(xiàn)僅有5~10t/h)。

 

  (2)下管后投礫。在第四系松散層鉆井,一般都是在下管后投入普通的礫料進(jìn)行圍填和過濾。這種工藝主要采用擴(kuò)大井徑的方式投礫,以達(dá)到過濾目的。該工藝的弊端主要有:增加鉆井口徑,勢必會增加鉆井成本,并且增加了鉆機和鉆具的扭矩和危害性;投礫過程中很容易造成礫料的分選,即相對粗的顆粒先沉入井底,較細(xì)的顆粒則懸浮在上部,因此使地層與礫料顆粒級配不合理而導(dǎo)致涌砂,特別是較深的地?zé)峋?由于礫料下沉?xí)r間長,分選的層次更嚴(yán)重;

 

  投礫過程中,很容易導(dǎo)致不穩(wěn)定地層坍塌,而使礫料不到位或者礫料泥皮混在一起充填在井管外圍,造成洗井困難,甚至嚴(yán)重影響單井出水量;

 

  井斜或下管彎曲時,圍填礫料很難保證其厚度的均勻性;

 

  石英含量較低的礫料,容易造成膠結(jié),最終影響出水量。所以,這種工藝盡管采用廣泛,但是,確實難以保證井的質(zhì)量,眾多的水井含砂量偏高、甚至大量涌砂和水量減少就足以佐證這種工藝的不可靠性!這種工藝在河南應(yīng)用最廣泛,有時洗井時間超過鉆井時間,水量偏少問題一般在新井建成后即可出現(xiàn)。 (3)正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)。目前國內(nèi)地?zé)峋?a href="http://www.optool.cn/t/鉆探.html" >鉆探深度一般都在1000~4000m之間,無論是石油、煤田系統(tǒng)還是地礦系統(tǒng),其鉆井工藝幾乎都是正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)。由于井內(nèi)泥漿柱靜壓力和動壓力較高,將導(dǎo)致泥漿輻射性滲透和污染地下含水層,再加之沒有先進(jìn)的洗井方法,則容易造成水量偏低等問題。

 

  22金屬井管腐蝕破裂與錯位 隨著環(huán)境對地下水和土壤的污染,金屬井管的腐蝕問題也愈來愈嚴(yán)重。地下金屬井管腐蝕環(huán)境主要有地下水介質(zhì)和土壤兩種。井管腐蝕破裂后,將導(dǎo)致水井涌砂或出混水、水溫下降、水質(zhì)惡化等問題.

 

  221金屬井管腐蝕機理 當(dāng)金屬井管表面粗糙、雜質(zhì)含量高、水中溶解氧濃度差等問題存在時,在水介質(zhì)中的金屬井管會形成許多腐蝕電池。其中,活潑的部位成為陽極,腐蝕學(xué)上稱陽極區(qū);而不活潑的部位則稱陰極,腐蝕學(xué)上稱陰極區(qū)。電極電位小者成負(fù)極,容易失去電子遭受腐蝕;電極電位大者成正極,正極區(qū)不遭受腐蝕。在一般中性水中,其腐蝕機理為電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。 在陽極區(qū),碳鋼氧化生成亞鐵離子進(jìn)入水中,并在碳鋼的金屬基體上留下2個電子。與此同時,水中的溶解氧則在陰極區(qū)接受從陽極區(qū)流過來的2個電子,還原為OH-。其電極反應(yīng)式為: 陽極區(qū)FeFe2++2e 陰極區(qū)1/2O2+H2O+2e2OH-當(dāng)亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時,則生成Fe(OH)2沉淀: Fe2+ +2OH- Fe(OH)2若水中的溶解氧比較充足

 

  ,則Fe(OH)2會進(jìn)一 步氧化,生成黃色的銹FeOOH或Fe2O3H2O,而不是Fe(OH)3。如果水中的氧不充足,則Fe(OH)2進(jìn)一步氧化成為綠色的水合四氧化三鐵或黑色的無水 四氧化三鐵。有些舊井常出現(xiàn)一些黃色或黑色水現(xiàn)象,實際就是井管腐蝕的結(jié)果。這些產(chǎn)物干燥后呈粉末狀,且密度較小(101~11kg/L),在井內(nèi)常處于漂浮狀態(tài)或儲存在變徑或其它縫隙處。

 

  222金屬井管腐蝕的主要類型 一般情況下,金屬腐蝕現(xiàn)象是普遍存在的問題,也是不可避免的正常現(xiàn)象,普通碳鋼的腐蝕均勻速度在0125~025mm/年。在地?zé)岬V泉供水井中,常用的井管壁厚為6~10mm,在正常情況下其使用壽命應(yīng)在20年以上。但是在現(xiàn)實情況中,有些地?zé)峋木茉?~3年內(nèi)就遭受強烈腐蝕而穿透管壁。這說明:金屬井管的腐蝕不是簡單的某一種類型的腐蝕,而是多種類型聯(lián)合腐蝕的結(jié)果,并且大多以局部腐蝕(孔蝕)為主。根據(jù)目前地?zé)峋こ?/a>技術(shù)現(xiàn)狀和水平,其井下腐蝕的類型主要有以下幾種:

  另外,水泵或泵管的材料與井管材料相差較大時,也會出現(xiàn)電偶腐蝕。如:河南省廣播電視廳家屬院、黃河水利委員會家屬院2眼700~800m地?zé)岬V泉供水井,抽水設(shè)備為進(jìn)口不銹鋼水泵,而井管為普通鋼管,水井含砂量均低于1/20萬。水泵分別運行3和6個月均出現(xiàn)水泵電機燒毀,泵體均勻附著一層2~5mm黑色污泥(主要成分為四氧化三鐵)。經(jīng)分析認(rèn)為:電機燒毀的主要原因是由于這些固體腐蝕產(chǎn)物吸附到泵中,使泵長期在較大阻力和散熱條件不良情況下運行的結(jié)果。

 

  (3)縫隙腐蝕:在井內(nèi),由于井管連接(管箍)、表面沉積物、金屬的腐蝕產(chǎn)物(銹瘤等)縫隙內(nèi)積存少量的靜止流體,從而形成腐蝕電池。這種腐蝕形態(tài)稱縫隙腐蝕,也稱垢下腐蝕或沉積腐蝕。這種類型的腐蝕在任何井中都存在,產(chǎn)生縫隙腐蝕或垢下腐蝕的沉積物有:泥沙、腐蝕產(chǎn)物、水垢、微生物粘泥。

 

  (4)孔蝕:孔蝕又稱點蝕或坑蝕,是在金屬表面上產(chǎn)生小孔的一種極為局部的腐蝕形態(tài)。這種孔的直徑大小不一。有些孔蝕孤立存在,有些則是緊湊在一起,像一片粗糙的表面?？孜g與地下水中氯離子含量有很大關(guān)系。

 

  (5)磨損腐蝕:磨損腐蝕又稱沖擊腐蝕、沖刷腐蝕或磨蝕。它是由于腐蝕性流體和金屬井管表面的相對運動引起的金屬加速破壞和腐蝕。特別是在抽水過程中,含砂量偏高時,磨損腐蝕速度增加。

 

  (6)應(yīng)力腐蝕:應(yīng)力腐蝕是指拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用而引起金屬的破裂。井管的應(yīng)力來源主要有:焊接應(yīng)力、管材自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力、濾水管殘余應(yīng)力等。如:河南開封20集團(tuán)軍、黃河漁場和河南省武警總隊1200m地?zé)岬V泉井,分別在466、454、69m井管焊接處出現(xiàn)破裂進(jìn)水,其主要原因就是由于應(yīng)力腐蝕而引起。 金屬井管在土壤環(huán)境中的腐蝕機理與在水介質(zhì)中相同。由于土壤的多相性、不均勻性、相對固定性等,都能產(chǎn)生許多腐蝕電池。與腐蝕有關(guān)的土壤性質(zhì)主要有孔隙度、含水量、電阻率、酸度、含鹽量。另外,當(dāng)土壤pH=5~9時,溫度在25~30條件下,硫酸鹽還原菌(厭氧菌)在土壤中大量存在,并參加電極反應(yīng)過程,其機理是將可溶性硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫,并和鐵作用生成硫化亞鐵。由于生成硫化氫,使土壤中的H+濃度增大,因此陰極反應(yīng)過程氫的去極化作用加強,從而加速了腐蝕作用。其反應(yīng)式為: 陽極Fe-2eFe 2+ 陰極H++eH 細(xì)菌參加的陰極反應(yīng)為: 8H+CaSO4H2S+2H2O+Ca(OH)2H2S=H++HS-腐蝕產(chǎn)物:Fe2++HS-FeS+H+ Fe2++2OH-Fe(OH)2總反應(yīng)式為: 4Fe+CaSO4+4H2O=FeS+Ca(OH)2+3Fe(OH)2 上述為金屬井管在土壤和地下水介質(zhì)中的幾種腐蝕類型。在河南,多數(shù)地?zé)峋谳^短時間內(nèi)出現(xiàn)涌砂或出混水、水溫下降、水質(zhì)惡化等問題,都是因為金屬井管的多種類型的聯(lián)合腐蝕而引起破裂造成的,也是由于在成井工藝上采用碎石和粘土球固井止水而導(dǎo)致的結(jié)果。

 

  總而言之,膠結(jié)成垢和金屬井管的腐蝕是普遍存在的一種客觀現(xiàn)象,也是影響地?zé)峋褂脡勖闹匾蛩?并且結(jié)垢與腐蝕相互伴生、相互影響和促進(jìn),結(jié)垢加速腐蝕,腐蝕產(chǎn)生結(jié)垢。二者與地下水或土壤(巖性)中的pH值、溫度、含鹽量、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-濃度、水中的懸浮物、堿度、流速等因素有關(guān)。 井管的錯位問題主要發(fā)生在地裂縫活動區(qū)、采煤區(qū)或其他礦區(qū),主要是由于地質(zhì)或地層應(yīng)力的不均或突變造成。如西安市多數(shù)地?zé)峋喜康木苠e位主要是因為地裂縫原因造成,一般發(fā)生在10~300m之間;河南新密市煤礦區(qū)的井管錯位則由于地面不均勻沉降造成,一般發(fā)生在20~150m之間。

 

  3地?zé)徙@井工程發(fā)展方向與建議 在目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,上述問題的存在,有些是不可避免的,而有些則可通過一定的技術(shù)手段和措施解決。隨著知識經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展和進(jìn)一步加強對地?zé)徙@探工程技術(shù)的研究和新技術(shù)、新方法的推廣應(yīng)用,可以預(yù)測,在今后5~10年內(nèi)將會使其工藝和技術(shù)得到進(jìn)一步的提高和發(fā)展。其發(fā)展方向與建議如下。

 

  31制定地?zé)峋こ?/a>施工規(guī)范與驗收標(biāo)準(zhǔn) 我國到目前為止還沒有一個具體的地?zé)峋こ?/a>施工規(guī)范與驗收標(biāo)準(zhǔn),這樣一來則出現(xiàn)許多不規(guī)范、不科學(xué)、不合理的施工方法和工藝。不同系統(tǒng)的施工工藝和技術(shù)方法幾乎都是沿用本行業(yè)的規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其成井驗收標(biāo)準(zhǔn)也是參照普通供水井的質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn),對于地?zé)峋┕ず万炇诊@然存在著許多不合理的地方。所以,加快制定地?zé)峋こ?/a>施工規(guī)范與驗收標(biāo)準(zhǔn)勢在必行,并使地?zé)峋こ桃?guī)范化、科學(xué)化、合理化,真正使之產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

  32加強對地?zé)峋こ?a href="http://www.optool.cn/t/市場.html" >市場的管理 地?zé)?a href="http://www.optool.cn/t/資源.html" >資源的勘查與開發(fā)是20世紀(jì)90年代興起的一個產(chǎn)業(yè),特別是近幾年來發(fā)展迅速。但是由于其工程市場的不規(guī)范和管理上的混亂,導(dǎo)致多頭管理、多頭收費、人情工程、腐敗工程等不正?，F(xiàn)象滋生蔓延。在施工方面許多技術(shù)實力差,甚至沒設(shè)備或?qū)I(yè)技術(shù)人員的單位和個人都能利用關(guān)系在當(dāng)?shù)厮到y(tǒng)辦理一個甲級鉆井資質(zhì)證并承攬地?zé)峋こ?一些招標(biāo)投標(biāo)僅僅是一個過程。由于地?zé)峋こ藤|(zhì)量得不到保證,不但給建設(shè)單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且還可引發(fā)一些地質(zhì)環(huán)境方面的問題,如:地下深層水迅速污染、地面不均勻沉降、井周圍建筑物塌陷等。 地?zé)峋煌谄渌慕ㄔO(shè)工程,它是一個重要的地下隱蔽工程,其質(zhì)量的好壞不僅是經(jīng)濟(jì)的直接損失,更重要的是由此而引發(fā)的一系列環(huán)境問題(特別是造成地下深層水污染問題),造成一些不可挽回的損失。所以,在資質(zhì)審批和業(yè)績考核方面,應(yīng)該由國家業(yè)務(wù)主管部委統(tǒng)一審批和管理。

 

  33加強新材料新工藝的研究與應(yīng)用 目前地?zé)峋菀壮霈F(xiàn)的腐蝕與結(jié)垢問題,實際上與目前使用的材料有很大的關(guān)系。如:普通碳鋼井管,由于材質(zhì)含有一定的雜質(zhì)或表面粗糙度過高,所以金屬井管在地下水介質(zhì)中很容易產(chǎn)生大量的腐蝕電池。所以,應(yīng)該加強新材料或表面處理的研究工作,如物理涂層、化學(xué)涂層、激光涂層等技術(shù)的應(yīng)用。在鉆井工藝方面應(yīng)該加強綠色在鉆井工程中的滲透,特別是新型泥漿的研究和氣舉反循環(huán)工藝技術(shù)、氣動和液動潛孔錘技術(shù)等聯(lián)合鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用,盡可能減輕鉆井介質(zhì)對地層的污染和堵塞。再者,加強石油鉆井、煤田鉆探和水文水井鉆探技術(shù)的交叉與聯(lián)合應(yīng)用,以達(dá)到優(yōu)勢互補、取長補短的效 果。

 

  34加速新型過濾器的研制與推廣應(yīng)用工作 過濾器是地?zé)峋＿\行的心臟,它的好壞 直接影響著其使用壽命。目前采用纏絲、橋式、條縫、梯型等類型的過濾器對于超深層的地?zé)峋畞碇v都不同程度上存在一些問題。目前我們采用自行研制的新型高強度貼礫濾水管,盡管在河南1200m以內(nèi)的地?zé)峋腥〉昧溯^好的成效,但對于更深的地?zé)峋?在高溫、高壓條件下是否安全可靠,還有待于進(jìn)一步研究與試驗。

 

  35實施超深層地?zé)?/a>井處理工程技術(shù)研究項目 如果把新建地?zé)峋こ坍?dāng)做是一個產(chǎn)品的話,那么舊井處理工程則是售后的技術(shù)服務(wù)。盡管目前國內(nèi)存在各種不同類型的洗井修井公司,也僅僅是處理一些普通的供水井。對于上千米或幾千米的地?zé)峋幚?目前還未見有關(guān)報道。所以,對于高溫、超深層條件下的地?zé)峋幚砉こ?同樣是擺在我們面前的一個重要課題。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗和技術(shù)手段,我們應(yīng)該從設(shè)備、測試儀器、機具、工藝、安全防護(hù)等方面進(jìn)行研究。以便當(dāng)?shù)責(zé)峋谑褂眠^程中出現(xiàn)問

 

  題時得到及時解決。