CN111957727A - 用于低渗透污染土壤修复的原位增渗设备及原位增渗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗设备及原位增渗方法，确认土壤的待修复位置后，以高压喷射机构的钻机单元、第一压力泵和一种介质单元配合、对待修复位置以射水的方式进行纵向钻孔，钻孔至预设位置后，控制高压射水方向，进行横向造缝，在横向造缝的水平面上方的高压喷射机构处设置止水栓塞，以高压喷射机构的钻机单元、第一压力泵和另一种介质单元配合、向造缝空间注入流体，通过原位压裂形成渗透通道，在渗透通道中置入填充体，逐级抬高高压喷射机构造缝，直至增渗完成后撤出高压喷射机构并开始原位修复。本发明提高污染土壤的渗透性能，从而加速修复药剂的传输、缩短修复时间，具有更好的污染物去除效果。

Description

用于低渗透污染土壤修复的原位增渗设备及原位增渗方法

技术领域

本发明涉及污染的土壤的复原的技术领域，特别涉及一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗设备及原位增渗方法。

背景技术

现今，随着社会经济不断发展，能源消耗越来越大，环境污染问题已成为限制社会经济发展的主要因素。

整体来说，土壤环境状况不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。我国土壤总的点位超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。

在土壤修复过程中，受场地条件或地质条件限制，越来越多修复工程开始采用原位修复技术，当前原位修复技术发展迅猛，技术日臻成熟，取得了不俗的成绩。然而，对于低渗透污染土壤来说，原位修复技术的进展相对比较缓慢，其原因主要是由于土壤渗透系数较低，使得原位修复过程中所必需的修复药剂不易进入土层、或是在土层中运移速度过缓，阻碍了修复药剂的物质传输效果，药剂不能与污染物充分接触，致使修复效率大大降低，修复时间普遍较长，甚至有些场地还存在修复一段时间以后污染物浓度反弹的情况。

对于此类低渗透性污染土壤，现有的原位修复技术及方法主要都是从污染物特征的角度出发，没有从根本上解决土壤渗透性能较低的问题，因而其原位修复效果均没有显著提高。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的用于低渗透污染土壤修复的原位增渗设备及原位增渗方法，针对制约低渗透污染土壤修复效果的关键制约因素，通过提高污染土壤的渗透性能，从而加速修复药剂的传输、缩短修复时间，具有更好的污染物去除效果。

本发明所采用的技术方案是，一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：确认土壤的待修复位置；

步骤2：对待修复位置以射水的方式进行纵向钻孔；

步骤3：钻孔至预设位置后，控制高压喷射机构的高压射水方向，进行横向造缝；

步骤4：在横向造缝的水平面上方的高压喷射机构处设置止水栓塞，向步骤3的造缝空间注入流体，通过原位压裂形成渗透通道；

步骤5：在渗透通道中置入填充体；

步骤6：若增渗完成，则撤出高压喷射机构，开始原位修复，否则，卸下止水栓塞，抬升高压喷射机构至新的预设位置，返回步骤3。其中，卸下止水栓塞是指钻孔造缝结束后，将止水栓塞内的压力降低为0，则囊状的止水栓塞与钻孔之间脱离，可以将其取出，重复利用。

优选地，所述步骤2中，以在底部和侧向设有射水孔的钻头，在待修复位置进行钻探，直至侧向的射水孔到达需要进行增渗的水平面。

优选地，所述步骤3中，钻孔至预设位置后，在钻杆中投入止水钢珠，底部的射水孔不出水，此时钻头底部的射水孔封堵、高压水只能通过钻头侧向射水孔射出，提高射水压力，进行横向造缝、制造初步水力缝隙，过程中保持钻头旋转。

本发明中，在实际操作过程中，高压流体是通过管道与中空的钻杆连接的，钻杆与底部的钻头连接，当到达预定位置后，打开高压管道与钻杆的连接，在钻杆中空管内投入止水钢珠，钢珠沿管道进入钻头底部，钻头底部有一个与钢珠直径一致的凹槽，槽下为射水孔，钢珠进入凹槽，堵住底部射水孔，之后重新连接高压管道和钻杆，钢珠在压力下紧紧堵住射水孔，确保底部不再射水，高压液体主要从侧向射出。

优选地，步骤2的钻探过程中，所述喷射压力小于等于10MPa；步骤3中，射水压力提高至30~60MPa。

优选地，所述步骤4中，止水栓塞设于钻头顶部0.5~1.0m处，用于将下部钻孔空间封闭，所述止水栓塞的压力与增渗压力之比大于等于4/3。

优选地，所述步骤4中，确认封闭效果后进行低渗透污染土壤的原位压裂，通过钻头射水孔，在封闭钻孔空间内注入用于促进裂缝发展的流体介质，根据流体介质的性质不同，采用不同的加压方式；加压过程中，观察提前埋于土体中的土压力计和地表变形测量装置，判断裂缝开展情况，当裂缝不再开展或到达预期范围后，停止加压。通过原位压裂，低渗透土层中形成的人工裂缝不断开裂、发展，形成渗透通道。

本发明中，对于土体塑性指数大于14的土壤可以采用清水压裂，否则应当采用特殊流体进行造缝。

优选地，流体介质为牛顿流体，则采用脉冲加压方式进行加压，压力范围根据裂缝开展情况自20~30MPa起逐级增加，加压时间10~20min，间隔时间约3~5min；当然，不同土体的加压时间和间隔可能不同，由本领域技术人员基于实际需求自行设置。

优选地，流体介质为黏度大且摩阻力小的非牛顿流体，则采用连续加压方式，压力范围30~60MPa，加压时间不小于30min，根据裂缝开展情况确定。

优选地，所述步骤5中，填充体为用于支持裂缝的支撑材料，其应具有较高的强度，适宜的密度和粒径，同时具有较好的渗透性能；将支撑材料与流体混合，支撑材料的体积占流体的体积的15%~25%，根据加压介质的不同有所区别；将配比好的填充物通过高压喷射机构注入造缝后的空间中，支撑材料通过流体输送到空间中不同位置并进行填充，当填充体的量不再增加时，逐渐减小压力完成填充。一般来说，当裂缝开展情况较好，支撑材料可采用经过加工的石英砂，石英砂粒径应小于钻孔加压孔直径且大于0.075mm，大于0.075mm粒径的质量应超过石英砂总质量的85%。

在完成上述原位提高渗透系数的孔内，可根据污染途中污染物的类型，开展原位修复技术，包括SVE（soil vapor extraction，土壤气相抽提，是对土壤挥发性有机污染进行原位修复的一种方法，用来处理包气带中地层介质的污染问题）、修复药剂原位注射、原位热脱附等，由于低渗透污染土壤的渗透性能得到明显改善，因此修复效果亦会显著提高。

一种采用所述的用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法的原位增渗设备，所述设备包括高压喷射机构，所述高压喷射机构包括钻机单元、第一压力泵和介质单元；

所述钻机单元配合设有钻杆；

所述钻杆通过第一压力泵与介质单元空间连通；

所述介质单元包括流体仓和支撑材料仓，所述流体仓和支撑材料仓的输出端连接至混合器，所述混合器的输出端及流体仓的输出端均连接至第一压力泵的输入端，所述第一压力泵的输出端与钻杆内部空间连通；

所述钻杆外套设有止水栓塞，所述止水栓塞配合设有第二压力泵；

所述钻机单元、第一压力泵、混合器和第二压力泵连接至控制器。

本发明中，钻机单元给钻杆提供动力；介质单元输出不同的介质、并通过第一压力泵通过钻孔灌入待修复位置。

本发明中，在流体仓和支撑材料仓间、流体仓和支撑材料仓与混合器间、流体仓与第一压力泵间均设有阀门，如止回阀，保证不发生逆流的情况。

本发明中，止水栓塞为空心囊的形式，以其充填水或气后的状态进行止水作业。

本发明中，控制器为上述部件传递信号，还接收包括提前埋于土体中的土压力计和地表变形测量装置反馈的信号并给出控制反馈，此为本领域技术人员容易理解的内容，本领域技术人员可以依据需求自行设计。

本发明涉及一种优化的用于低渗透污染土壤修复的原位增渗设备及原位增渗方法，确认土壤的待修复位置后，以高压喷射机构的钻机单元、第一压力泵和一种介质单元配合、对待修复位置以射水的方式进行纵向钻孔，钻孔至预设位置后，控制高压射水方向，进行横向造缝，在横向造缝的水平面上方的高压喷射机构处设置止水栓塞，以高压喷射机构的钻机单元、第一压力泵和另一种介质单元配合、向造缝空间注入流体，通过原位压裂形成渗透通道，在渗透通道中置入填充体，逐级抬高高压喷射机构造缝，直至增渗完成后撤出高压喷射机构并开始原位修复。

本发明的有益效果在于：

1.提高低渗透地层的渗透系数2个数量级以上；

2.提高原位修复药剂或气体的流量；

3.修复低渗透污染土壤的修复时间缩短1/4以上；

4.修复后的土壤采用原位修复技术输送的土壤修复药剂或抽出注入的气体量增加20%~40%；

5.增加原位修复孔间距，减少工程量，节约投资。

本发明提高污染土壤的渗透性能，从而加速修复药剂的传输、缩短修复时间，具有更好的污染物去除效果。

附图说明

图1为本发明中步骤2阶段的施工示意图；

图2为本发明中步骤3阶段的施工示意图；

图3为本发明中步骤4阶段的施工示意图；

图4为本发明中步骤5阶段的施工示意图；

图5为本发明中步骤6阶段的施工示意图；

图6为本发明增渗完成后的示意图；

图7为本发明中钻头部分的结构示意图；

图8为本发明中钻头的底部投入止水钢珠后的结构示意图；

其中，除图3造缝空间处的箭头表示注入流体后原位压裂的作用力外，其余箭头所示为对应步骤中的水或流体或填充体的流动方向；

图中，1为土壤、2为止水栓塞、3为造缝空间、4为渗透通道、5为填充体、6为钻头、7为钻杆、8为第一压力泵、9为流体仓、10为支撑材料仓、11为混合器、12为第二压力泵、13为钻机单元、14为止水钢珠、15为底部射水孔、16为侧向射水孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

某污染场地，污染物主要为苯系物，污染土壤1为砂土、粉土及粉质黏土，污染深度6m，采用SVE技术进行治理修复，在未进行原位增渗技术时，SVE对于砂土层修复效果显著优于粉土及粉质黏土，导致低渗透粉土、粉质黏土在系统运行一段时间后，距修复目标值差距较大，因此对粉土及粉质黏土进行原位增渗技术。

根据对地质资料分析，粉土及粉质黏土层渗透系数在10^-5~10^-7cm/s的数量级，渗透系数较低，因此对粉土及粉质黏土进行分段增渗，间隔为1.5~2m。

钻探：钻机单元13就位至需要进行治理的位置进行钻孔，钻头6采用底部和侧向带有射水孔的钻头6，钻孔前先在距钻头0.5m位置安装止水栓塞2，然后钻至需要进行增渗处理的深度，钻探过程中，钻杆7内高压水采用0.5~1.0MPa的压力，将钻杆7提出，在钻头6以上0.5m处安装水压橡胶栓塞，并将带有水压橡胶栓塞的钻杆7重新下入预定位置，同时钻杆7内投入止水钢珠14，封堵钻头6底部射水孔15；以第一压力泵8连接钻机单元13和介质单元。

造缝：增加水压至压力为30MPa，利用钻头6的侧向射水孔16对低渗透土层进行射水破坏，同时旋转钻头6，形成环状缝隙，即造缝空间3。

压力增渗：橡胶止水栓塞2接高压水泵（即第二压力泵12），利用高压水进行充填，使止水栓塞2的橡胶膜膨胀并与周边土层紧密接触，止水栓塞2的压力40MPa，以确保在进行压力增渗的过程中压力保持稳定；钻杆7接入另一台高压水泵，水泵压力为30MPa，试验开始前，进行试压，将接入钻杆7的水泵压力缓缓增至30MPa，观察压力表变化，3min内压力无显著变化，表明止水栓塞2封闭的钻孔段密闭良好；采用清水作为压裂介质，加压方式为脉冲式加压，瞬间压力30MPa，并保持加压时间20min，之后卸压至0MPa，间隔3~5min后，再查充分加压，如此反复约5~10次，经地面变形观测分析，在上述脉冲压力下产生裂缝延伸范围约3~5m不等，即渗透通道4。

高渗支持骨料填充：采用级配为1.0~0.5mm粒径5.4%、0.5~0.25mm粒径81.2%、0.25~0.075mm粒径13.4%的优质石英砂（于支撑材料仓10内）与高压水（于流体仓9内）以混合器11混合后作为填充体5进行裂隙支持填充，填充过程与压力增渗过程基本一致，同时记录填充石英砂用量，当石英砂填充量变化较小时，停止填充；卸去钻杆7及止水栓塞2内的压力。

重复造缝：将钻杆7向上提升1.5m位置，并采用止水栓塞2将增渗段进行封闭，重复造缝、压力增渗和高渗支持骨料填充步骤后，移至下一位置，直至在全部深度范围内完成压力增渗工作。

填充完成三天后，经检测，增渗段污染土壤的渗透系数达到7.21×10^-4~1.93×10^-3cm/s，较增渗前的渗透系数提高2~3个数量级，显著提高SVE在粉土及粉质黏土层的气体流量。

实施例2

某污染场地，污染物主要为苯系物、稠环芳烃和TPH，污染深度超过20m，采用原位化学氧化技术进行修复，污染土主要为粉土、砂土、粉质黏土，低渗透粉土、粉质黏土占比约为2/3且呈厚层分布，第一层低渗透污染土壤1埋深在6~13m之间，第二层低渗透污染土壤1埋深在18~26m之间，现场高压旋喷过程中，低渗透粘性土层返浆现象明显，返浆量约为40%，渗透效果差，影响修复效果。

为提高渗透性能，取得良好的修复效果，采用本发明原位增渗技术。根据对地质资料分析，粉土及粉质黏土层渗透系数在10^-5~10^-6cm/s的数量级。

钻探：钻机单元13就位至需要进行治理的位置，由于治理深度较深，因此先以其他钻机进行引孔，钻孔孔径90mm，钻至需要进行增渗处理的深度后，将钻杆7提出，改用本发明所述增渗设备进行加压，并安装止水栓塞2，止水栓塞2距钻头0.5m，并将钻头6置入需要增渗的位置；钻杆7下至预定位置后，向钻杆7内投入止水钢珠14，封堵钻头6底部射水孔15；以第一压力泵8连接钻机单元13和介质单元。

造缝：钻杆7接入高压水泵，压力为30MPa，利用钻头6的侧向射水孔16对低渗透土层进行射水破坏，同时旋转钻头6，形成环状缝隙，即造缝空间3。

压力增渗：橡胶止水栓塞2接高压水泵（即第二压力泵12），利用高压水进行充填，使止水栓塞2橡胶膜膨胀并与周边土层紧密接触，止水栓塞2的压力45MPa，以确保在进行压力增渗的过程中压力保持稳定；钻杆7接入另一台高压泵，压力为30MPa；试验开始前，进行试压，将接入钻杆7的泵压力缓缓增至30MPa，观察压力表变化，3min内压力无显著变化，表明止水栓塞2封闭的钻孔段密闭良好，采用特质的冻胶作为压裂介质、比水的密度和黏度高，摩阻力低，产生裂缝和携带高渗支撑骨料的能力更好，加压方式为稳定加压，压力30MPa，并保持加压时间2h，之后卸压至0MPa，经地面变形观测分析，在上述恒定压力下产生裂缝延伸范围约2~5m不等，形成渗透通道4。

高渗支持骨料填充：随后采用直径0.2~0.8mm的低密度多孔陶粒（于支撑材料仓10内）与冻胶（于流体仓9内）以混合器11混合后作为填充体5进行裂隙支持填充，填充过程与压力增渗过程基本一致，同时记录填充多孔陶粒用量，当填充量变化较小时，停止填充，卸去钻杆7及止水栓塞2内的压力。

重复造缝：将钻杆7向上提升1.0~2.0m位置，并采用止水栓塞2将增渗段进行封闭，重复造缝、压力增渗和高渗支持骨料填充步骤后，移至下一位置，直到全部深度范围完成压力增渗工作。

压力增渗完成1周后，经检测，渗透系数达到8.5×10^-4~7.2×10^-3cm/s，渗透系数增加2~3个数量级。经现场测试，增渗后原位高压旋喷渗透半径较增渗前提高1倍以上，返浆量减少10%以上，沿钻孔轴向方向、每米较较增渗前约增加20%以上。

Claims (10)

1.一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：确认土壤的待修复位置；

步骤2：对待修复位置以射水的方式进行纵向钻孔；

步骤3：钻孔至预设位置后，控制高压喷射机构的高压射水方向，进行横向造缝；

步骤4：在横向造缝的水平面上方的高压喷射机构处设置止水栓塞，向步骤3的造缝空间注入流体，通过原位压裂形成渗透通道；

步骤5：在渗透通道中置入填充体；

步骤6：若增渗完成，则撤出高压喷射机构，开始原位修复，否则，卸下止水栓塞，抬升高压喷射机构至新的预设位置，返回步骤3。

2.根据权利要求1所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：所述步骤2中，以在底部和侧向设有射水孔的钻头，在待修复位置进行钻探，直至侧向的射水孔到达需要进行增渗的水平面。

3.根据权利要求2所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：所述步骤3中，钻孔至预设位置后，在钻杆中投入止水钢珠，底部的射水孔不出水，提高射水压力，进行横向造缝、制造初步水力缝隙。

4.根据权利要求3所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：步骤2的钻探过程中，所述喷射压力小于等于10MPa；步骤3中，射水压力提高至30~60MPa。

5.根据权利要求1所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：所述步骤4中，止水栓塞设于钻头顶部0.5~1.0m处，所述止水栓塞的压力与增渗压力之比大于等于4/3。

6.根据权利要求5所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：所述步骤4中，确认封闭效果后进行低渗透污染土壤的原位压裂，通过钻头射水孔，在封闭钻孔空间内注入用于促进裂缝发展的流体介质，根据流体介质的性质不同，采用不同的加压方式；加压过程中，观察提前埋于土体中的土压力计和地表变形测量装置，判断裂缝开展情况，当裂缝不再开展或到达预期范围后，停止加压。

7.根据权利要求6所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：流体介质为牛顿流体，则采用脉冲加压方式进行加压，压力范围自20~30MPa起逐级增加，加压时间10~20min，间隔时间约3~5min。

8.根据权利要求6所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：流体介质为黏度大且摩阻力小的非牛顿流体，则采用连续加压方式，压力范围30~60MPa，加压时间不小于30min。

9.根据权利要求1所述的一种用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法，其特征在于：所述步骤5中，填充体为用于支持裂缝的支撑材料，将支撑材料与流体混合，支撑材料的体积占流体的体积的15%~25%；将配比好的填充物通过高压喷射机构注入造缝后的空间中，支撑材料通过流体输送到空间中不同位置并进行填充，当填充体的量不再增加时，逐渐减小压力完成填充。

10.一种采用权利要求1~9之一所述的用于低渗透污染土壤修复的原位增渗方法的原位增渗设备，其特征在于：所述设备包括高压喷射机构，所述高压喷射机构包括钻机单元、第一压力泵和介质单元；

所述钻机单元配合设有钻杆；

所述钻杆通过第一压力泵与介质单元空间连通；

所述介质单元包括流体仓和支撑材料仓，所述流体仓和支撑材料仓的输出端连接至混合器，所述混合器的输出端及流体仓的输出端均连接至第一压力泵的输入端，所述第一压力泵的输出端与钻杆内部空间连通；

所述钻杆外套设有止水栓塞，所述止水栓塞配合设有第二压力泵；

所述钻机单元、第一压力泵、混合器和第二压力泵连接至控制器。

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