CN111395995B - 一种含水层储能井的二次成井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含水层储能井的二次成井方法，包括如下步骤：钻机就位钻进及井管安装前的准备、一次成井安装钢质井管回填滤料、钢质井管联合洗井、二次成井安装PVC井管回填滤料、拔出钢质井管、封井并联合洗井、抽水试验，各项参数合格后投入使用，其中所述二次成井设备包括拔管器、钢质井管和PVC井管。采用本发明的二次成井方法，可先下钢质井管和粗颗粒滤料，一次成井后进行强度较大的洗井，再下PVC井管和细颗粒滤料，然后拔出钢质井管，再采用强度较轻的洗井，即解决了冲击钻进工艺导致的井壁泥皮过厚的问题，又保护了PVC井管，提高了含水层储能井抽出的地下水质量、解决了在卵砾石及含漂石的地层修建含水层储能井的问题。

Description

一种含水层储能井的二次成井方法

技术领域

本发明涉及水文地质钻探领域，具体涉及一种含水层储能井的二次成井方法。

背景技术

近年来，含水层储能技术得到快速发展，目前已经可以充分利用含水层的特点，夏季储藏热能供冬季使用，冬季储藏冷能供夏季使用。但是这个技术的一个重要前提是地下水原水100％回灌，这就对储能井的成井技术有更高的要求。

成功的打井工艺分为两步，即钻进和成井。目前打普通井的钻进技术已经比较成熟，通常会选用气举反循环钻进工艺，但是这种钻进方法无法适用于卵砾石、含漂石的地层，如果修建含水层储能井的地方含水层的地质条件为上述地层，那么将必须采用其他的钻进方式来进行。在这些地方，目前常用的是钢绳冲击钻进的方法，而在冲击钻进的过程中，由于钻进采用“凿进”的方式，在钻进过程结束后，井壁岩层颗粒将变得更加密集，其含水层的孔隙率，给水度，渗透系数均有一定程度的降低；另外，由于冲击钻进过程中的冲洗液一般采用掏筒的方式上返，导致井内泥浆密度较大，在钻进结束后的冲孔换浆过程，冲击钻也无法做到像反循环钻进那样彻底，这使得井壁上的泥浆护壁过厚。而含水层储能井与普通水井用途不同，因此成井工艺上差别也很大，如果井壁上的泥浆护壁过厚，透水率不高就会影响地下水回灌，另外抽出的地下水如果泥沙含量多，会影响建筑物里的水路循环，对换热器、热泵等设备造成损坏，因此需要比较彻底的洗井操作，才能满足含水层储能井的需求。

常规的水井多采用钢制材料的井管，其强度与刚度相对较大，而且回填滤料的颗粒也较大，在用冲击钻成井后，使用强活塞洗井与其他洗井方式相结合的方法，可以消除井壁上大部分泥浆护壁。但含水层储能井要避免金属传导损耗热量或者冷量，同时也为了避免铁锈等金属物质随着水路循环对换热器和热泵等设备产生损害，因此使用的井管为PVC材质，连接方式为胶黏式，其强度、刚度远不及钢制井管，为了降低抽出地下水的含沙量，含水层储能井需要回填较小的滤料颗粒，但是颗粒越小，洗井难度越大，如果想要达到与大颗粒滤料同等的洗井质量，就需要采用更大力度的活塞洗井，这对PVC材质的井管来说又是无法承受的。如果使用强力活塞洗井，PVC井壁管破裂的概率极大，而其他洗井方法无法达到完全消除泥浆护壁，这不仅限制了含水层储能井抽水和回灌的水量，影响整个系统的运行效率，更对含水层储能技术在全国各种地质条件的推广造成了很大的阻力。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种含水层储能井的二次成井方法，旨在提供一种在卵砾石、含漂石的地层修建含水层储能井时，配合采用冲击钻进工艺和PVC材质井管，能高质量完成洗井，并且提高含水层给水率和给水质量的成井方法。

本发明的含水层储能井的二次成井方法，包括如下步骤：

1)钻机就位钻进及井管安装前的准备：采用冲击钻的钻进方式，钻进过程中采用泥浆护壁，井孔内泥浆液面不低于地面下0.5m，井孔完全贯穿目标含水层后，再向下深入岩石层三米，利用提砂筒将孔底稠泥浆掏出，同时注入清水；

2)一次成井安装钢质井管回填粗颗粒滤料：向井孔内投入厚度小于1m的粗颗粒滤料垫底，然后下入二次成井设备中的钢质井管，所述钢质井管包括钢质沉砂管、桥式过滤器、钢质井壁管，操作时先下钢质沉砂管，再下桥式过滤器，最后下钢质井壁管，下管结束后，向井壁与钢质井管之间的环空内回填粗颗粒滤料，回填至含水层顶部以上2m左右；

3)钢质井管联合洗井：待粗颗粒滤料完全下沉稳定后，在井孔内下入潜水泵抽出井内脏水，然后采用焦磷酸钠与高强度的活塞联合洗井；

4)二次成井安装PVC井管回填细颗粒滤料：待步骤3)抽出的地下水比较清澈且无施工残留物后，下入二次成井设备中的PVC井管，所述PVC井管包括PVC沉砂管、PVC滤水管、PVC井壁管，操作时先下PVC沉砂管，再下PVC滤水管，最后下PVC井壁管，下管结束后，向钢质井管与PVC井管的环空内回填细颗粒滤料至与粗颗粒滤料同等深度；

5)拔出钢质井管：待细颗粒滤料完全下沉稳定后，使用拔管器将钢质井壁管、桥式过滤器、钢质沉砂管依次从井孔中缓慢拔出，在拔管开始时先施加50％的拉力，待钢质井管可以小幅度的移动时，再将拉力增加到80％；

6)封井并联合洗井：待钢质井管完全拔出后，回填优质粘土球进行封井，然后采用低强度的活塞与空压机联合洗井；

7)抽水试验：洗井结束后安装潜水泵、泵管、流量计等设备进行抽水试验，各项参数合格后投入使用。

进一步，所述二次成井设备包括拔管器、钢质井管和PVC井管，所述钢质井管由相同直径的钢质井壁管、桥式过滤器、钢质沉砂管依次焊接相连而成，钢质沉砂管在最下面，钢质井壁管在最上面；所述PVC井管由相同直径的PVC井壁管、PVC滤水管、PVC沉砂管依次胶黏连接，PVC沉砂管在最下面，PVC沉砂管的底部设置管帽(13)，PVC井壁管在最上面并凸出地面形成井口。

进一步，所述桥式过滤器高度超过目标含水层高度。这样可以最大程序的抽取地下水洗井，提高洗井质量。

进一步，所述PVC滤水管高度小于目标含水层高度。这样可以增加地下水向PVC滤水管渗透的压力，增加给水率，而且进入PVC滤水管的水都经过了粗颗粒滤料和细颗粒滤料的过滤，最大程度的去除泥沙等杂质，提高给水质量。

优选地，所述粗颗粒滤料的粒径为1-2cm。

优选地，所述细颗粒滤料的粒径为1-2mm。

进一步，所述低强度的活塞与空压机联合洗井步骤中，所述活塞直径小于PVC井管直径20-30mm，活塞下降速度适当，提升速度为0.6-1.2m/s，活塞不能下入PVC沉砂管中；所述空压机洗井的出水管应下至超过PVC滤水管的下部，出水管的外径与井管内径差不小于29-40mm，风管沉没比不小于50％，以最大的抽水量抽水洗井。

优选地，所述钢质井管直径为529mm。

优选地，所述PVC井管直径为315mm。

本发明的有益效果为：

1、在保护PVC井管的同时完成高质量的洗井工艺：采用本发明的二次成井方法，钻进后先下钢质井管，并在井壁和钢质井管之间的空隙中填入粗颗粒滤料，一次成井后可以采用强度较大的活塞洗井与洗井彻底的焦磷酸钠洗井相结合的联合洗井的方法，高质量地清除钻井过程中井壁上的泥皮，为二次成井后的洗井质量打下基础。二次成井时下PVC井管，钢质井管和PVC井管之间的空隙中填入细颗粒滤料，然后拔出钢质井管，再采用强度较轻的活塞洗井与空压机洗井相结合的联合洗井方法，完成高质量的洗井，即解决了冲击钻进工艺导致的井壁泥皮过厚的问题，又保护了PVC井管，提高了含水层储能井的使用寿命。钢质井管底部不设置管帽，方便二次成井时拔出钢质井管。

2、提高了含水层储能井抽出的地下水质量：通过使用本发明的二次成井方法，可以有计划地在最终PVC井管外围分层填入粗颗粒滤料和细颗粒滤料，而且洗井彻底，抽出的地下水含沙量很低，而且由于二次成井后钢质井管已经被完全拔出，不影响地下水水质，不产生热量损失，不会产生铁锈等化学物质使整个储能系统的水回路堵塞。

3、解决了在卵砾石及含漂石的地层修建含水层储能井的问题：通过使用本发明的二次成井方法，在卵砾石及含漂石的地层，可以使用冲击钻钻进，也可以使用PVC井管，使含水层储能技术适用范围更广。

4、增加了含水层储能井的抽水回灌量：通过本发明的二次成井方法修建的储能井外围有两种粒径的滤料，贴近滤水管一侧的为细颗粒滤料，远离一侧为粗颗粒滤料，这种滤料排列方式增加了储能井的抽水回灌量，提高了抽出的地下水的质量，同时还能防止砂涌。

5、结构简单，使用方便：本发明使用的二次成井设备，与常见井管不同，钢质沉砂管4底端不添加管帽，桥式过滤器3周围也不需要缠绕丙纶丝，这样使得拔管时管材上覆滤料产生的摩擦力大大减小，进一步减小了拔出的难度。本套设备结构简单，使用方便。

附图说明

图1为本发明的含水层储能井的二次成井方法的操作步骤示意图；

图2为含水层储能井填入细颗粒滤料后拔出钢质井管前的结构示意图；

图3为二次成井完成后的含水层储能井结构示意图。

图中各标号列示如下：

1、拔管器；2、钢质井壁管；3、桥式过滤器；4、钢质沉砂管；5、PVC质井壁管；6、PVC质滤水管；7、PVC质沉砂管；8、细颗粒滤料；9、粗颗粒滤料；10、含水层上部地层；11、含水层；12、岩石层；13、管帽；14、粘土球

具体实施方式

结合附图对本发明的含水层储能井的二次成井方法进行具体说明。

实施例：某储能井项目成井方法试验

拟建场地地下水类型为第四系松散堆积层孔隙潜水，含水层岩性主要为圆砾，透水性及富水性较强。依据该地区资料，圆砾层的平均渗透系数K＝80m/d左右，单井涌水量50m3/h左右。根据场区地质特点：主要含水层为圆砾，最大粒径为80mm，且10米左右就已见岩，结合经济因素综合分析得知，正循环与反循环均不适合该场区储能井钻井，故储能井钻井方法选择为冲击钻钻进。

1、采用传统的一次成井方法，成井结束后，对储能井进行洗井与抽水试验，结果很不理想，地下水无法持续抽取连续。4天的洗井结束后，储能井仍不能持续抽水，具体数据如下表所示：

表1采用传统一次成井法获得的储能井流量指标

因此，一次成井的储能井建设宣布失败，原因分析：

(1)钻井结束后井内泥浆比重过大，换浆过程进行的并不彻底，冲击钻常规的换浆方法是使用掏筒将井内比重较大的泥浆掏出，该换浆效果远不及正、反循环钻进的换浆效果。

(2)冲击钻钻进采用“凿进”的方式，在钻进过程结束后，井壁岩层颗粒将变得更加密集，其含水层的孔隙率，给水度，渗透系数均有一定程度的降低，再者回填的滤料颗粒、孔隙度也较小，这些因素叠加起来导致后期洗井过程中根本无法清除井壁上的泥浆护壁。

(3)由于PVC井管的强度与环刚度相比钢质井管小很多，导致其不能承受过于强力的活塞洗井。

2、采用二次成井的方法，包括如下步骤：

1)钻机就位钻进及井管安装前的准备：采用冲击钻的钻进方式，钻进过程中采用泥浆护壁，井孔内泥浆液面不低于地面下0.5m，井孔完全贯穿目标含水层(11)后，再向下深入岩石层三米，利用提砂筒将孔底稠泥浆掏出，同时注入清水；

2)一次成井安装钢质井管回填粗颗粒滤料：向井孔内投入厚度小于1m的粗颗粒滤料(9)垫底，然后下入二次成井设备中的钢质井管，所述钢质井管包括钢质沉砂管(4)、桥式过滤器(3)、钢质井壁管(2)，操作时先下钢质沉砂管(4)，再下桥式过滤器(3)，最后下钢质井壁管(2)，下管结束后，向井壁与钢质井管之间的环空内回填粗颗粒滤料(9)，回填至含水层(11)顶部以上2m左右；

3)钢质井管联合洗井：待粗颗粒滤料(9)完全下沉稳定后，在井孔内下入潜水泵抽出井内脏水，然后采用焦磷酸钠与高强度的活塞联合洗井；

4)二次成井安装PVC井管回填细颗粒滤料：待步骤3)抽出的地下水比较清澈且无施工残留物后，下入二次成井设备中的PVC井管，所述PVC井管包括PVC沉砂管(7)、PVC滤水管(6)、PVC井壁管(5)，操作时先下PVC沉砂管(7)，再下PVC滤水管(6)，最后下PVC井壁管(5)，下管结束后，向钢质井管与PVC井管的环空内回填细颗粒滤料(8)至与粗颗粒滤料(9)同等深度；

5)拔出钢质井管：待细颗粒滤料(8)完全下沉稳定后，使用拔管器(1)将钢质井壁管(2)、桥式过滤器(3)、钢质沉砂管(4)依次从井孔中缓慢拔出，在拔管开始时先施加50％的拉力，待钢质井管可以小幅度的移动时，再将拉力增加到80％；

6)封井并联合洗井：待钢质井管完全拔出后，回填优质粘土球(14)进行封井，然后采用低强度的活塞与空压机联合洗井；

7)抽水试验：洗井结束后安装潜水泵、泵管、流量计等设备进行抽水试验，各项参数合格后投入使用。

进一步，所述二次成井设备包括拔管器(1)、钢质井管和PVC井管，所述钢质井管由相同直径的钢质井壁管(2)、桥式过滤器(3)、钢质沉砂管(4)依次焊接相连而成，一边下入一边焊接，钢质沉砂管(4)在最下面，钢质井壁管在最上面与所述拔管器(1)相连；所述PVC井管由相同直径的PVC井壁管(5)、PVC滤水管(6)、PVC沉砂管(7)依次胶黏连接，PVC沉砂管(7)在最下面，PVC沉砂管(7)的底部设置管帽(13)，一边下入一边胶接，PVC井壁管(5)在最上面并凸出地面形成井口。

进一步，所述桥式过滤器(3)高度超过目标含水层高度。

进一步，所述PVC滤水管(6)高度小于目标含水层高度。

所述粗颗粒滤料(9)的粒径为1-2cm。

所述细颗粒滤料(8)的粒径为1-2mm。

进一步，所述低强度的活塞与空压机联合洗井步骤中，所述活塞直径小于PVC井管直径30mm，活塞下降速度适当，提升速度为0.6-1.2m/s，活塞不能下入PVC沉砂管中；所述空压机洗井的出水管应下至超过PVC滤水管(6)的下部，出水管的外径与井管内径差不小于35mm，风管沉没比不小于50％，以最大的抽水量抽水洗井。

所述钢质井管直径为529mm。

所述PVC井管直径为315mm。

钢质井管拔出前的储能井结构图如图2所示，建成后的储能井结构如图3所示。

洗井后进行抽水试验，抽水试验结果如下表所示：

表2采用二次成井法获得的储能井抽水试验结果

抽水试验显示：储能井涌水量为50立方米每小时，最大降深值为3.42米，抽出的水比较清澈，泥沙含量很少，满足含水层储能井设计要求。本项目含水层储能井建设宣告成功。

以上对本发明提供的一种含水层储能井的二次成井方法进行了详细介绍。本文通过具体实施方式对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）钻机就位钻进及井管安装前的准备：采用冲击钻的钻进方式，钻进过程中采用泥浆护壁，井孔内泥浆液面不低于地面下0.5m，井孔完全贯穿目标含水层后，再向下深入岩石层3 m，利用提砂筒将孔底稠泥浆掏出，同时注入清水；

2）一次成井安装钢质井管回填粗颗粒滤料：向井孔内投入厚度小于1m的粗颗粒滤料（9）垫底，然后下入二次成井设备中的钢质井管，所述钢质井管包括钢质沉砂管（4）、桥式过滤器（3）、钢质井壁管（2），操作时先下钢质沉砂管（4），再下桥式过滤器（3），最后下钢质井壁管（2），下管结束后，向井壁与钢质井管之间的环空内回填粗颗粒滤料（9），回填至含水层（11）顶部以上2m左右；

3）钢质井管联合洗井：待粗颗粒滤料（9）完全下沉稳定后，在井孔内下入潜水泵抽出井内脏水，然后采用焦磷酸钠与高强度的活塞联合洗井；

4）二次成井安装PVC井管回填细颗粒滤料：待步骤3）抽出的地下水比较清澈且无施工残留物后，下入二次成井设备中的PVC井管，所述PVC井管包括PVC沉砂管（7）、PVC滤水管（6）、PVC井壁管（5），操作时先下PVC沉砂管（7），再下PVC滤水管（6），最后下PVC井壁管（5），下管结束后，向钢质井管与PVC井管的环空内回填细颗粒滤料（8）至与粗颗粒滤料（9）同等深度；

5）拔出钢质井管：待细颗粒滤料（8）完全下沉稳定后，使用拔管器（1）将钢质井壁管（2）、桥式过滤器（3）、钢质沉砂管（4）依次从井孔中缓慢拔出，在拔管开始时先施加50%的拉力，待钢质井管可以小幅度的移动时，再将拉力增加到80%；

6）封井并联合洗井：待钢质井管完全拔出后，回填优质粘土球（14）进行封井，然后采用低强度的活塞与空压机联合洗井；

7) 抽水试验：洗井结束后安装潜水泵、泵管、流量计进行抽水试验，各项参数合格后投入使用。

2.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述二次成井设备包括拔管器（1）、钢质井管和PVC井管，所述钢质井管由相同直径的钢质井壁管（2）、桥式过滤器（3）、钢质沉砂管（4）依次焊接相连而成，钢质沉砂管（4）在最下面，钢质井壁管在最上面与所述拔管器（1）相连；所述PVC井管由相同直径的PVC井壁管（5）、PVC滤水管（6）、PVC沉砂管（7）依次胶黏连接，PVC沉砂管（7）在最下面，PVC沉砂管（7）的底部设置管帽（13），PVC井壁管（5）在最上面并凸出地面形成井口。

3.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述桥式过滤器（3）高度超过目标含水层高度。

4.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述PVC滤水管（6）高度小于目标含水层高度。

5.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述粗颗粒滤料（9）的粒径为1-2cm。

6.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述细颗粒滤料（8）的粒径为1-2mm。

7.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述低强度的活塞与空压机联合洗井步骤中，所述活塞直径小于PVC井管直径20-30mm，活塞下降速度适当，提升速度为0.6-1.2m/s，活塞不能下入PVC沉砂管中；所述空压机洗井的出水管应下至超过PVC滤水管（6）的下部，出水管的外径与井管内径差为29-40mm，风管沉没比不小于50%，以最大的抽水量抽水洗井。

8.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述钢质井管直径为529mm。

9.根据权利要求1所述含水层储能井的二次成井方法，其特征在于，所述PVC井管直径为315mm。

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