CN114278271B - 复合循环井系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合循环井系统及使用方法，包括循环井主井、定向水平井组、抽水装置和地面管汇，循环井主井、定向水平井组、抽水装置通过连接地面管汇形成闭合回路；通过本系统和使用方法可提升上、下含水层的水位差，并借助主井、水平定向井组成的系统解决传统循环井抽注不平衡的问题，增大循环井水动力调控区域，提升污染物去除效率，缩短循环井修复和净化周期。

Description

复合循环井系统及使用方法

技术领域

本发明涉及一种复合循环井系统及使用方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，我国的工业化进程不断加快，因各类污染物的不合 理处置、城市废水不当排放、农业化学品滥用、事故泄露等因素造成的地下水污染 日益严重，已经成为备受国家与社会关注的环境问题。

目前，针对地下水中污染物的去除，国内常用的地下水修复技术主要为抽取处 理技术、生物降解技术、原位化学氧化技术、地下水曝气技术、可渗透反应屏障技 术等。相对于以上修复处理技术，地下水循环井技术(Groundwater Circulation Wells， 简称GCW)能够综合利用物理、化学和生物过程来实现对地下水的原位修复，并可 以和其他修复技术相结合实现对地下水的综合治理，修复效果好，修复效率高。

地下水循环井技术的工作原理是通过在循环井周围区域形成三维循环流场，循环流冲刷并带动污染物进入井内，通过曝气吹脱和抽提来去除掉易挥发或者气相有 机物，同时曝气过程可以提高地下水中的含氧量，强化土著微生物对有机污染物的 降解作用，从而实现对地下水和土体中有机污染物的去除。

根据相关资料统计，地下水循环井技术在我国研究较晚，目前在国内仅有2个 工程实例，尚处于研究阶段，成套设备也处于空白状态。地下水循环井技术在国内 推广的制约因素主要为：(1)国内地下水污染物复杂多相共存居多，单一循环井 修复处理效率低；(2)目前循环井单井的影响范围仅为20～45m，无法实现大范围 的水力调控，严重制约地下水循环井技术推广；(3)循环井抽注水不平衡，抽提 的水因地层压力并不能全部注入含水层；(4)循环井修复技术的修复和净化周期 比较长，而国内的地下水修复普遍要求工期短。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题提供一种复合循环井系统及使用方法，增大循环井水动力调控区域，解决传统循环井抽注不平衡的问题，提升污染物去除效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种复合循环井系统包括循环井系统、抽水装置和地面管汇，该循环井系统包 括循环井主井和定向水平井组；

所述循环井主井包括钻孔、围填层和井管，该围填层位于钻孔和井管的环状间隙，包括与上部含水层对应的上砾料层以及与下部含水层对应的下砾料层，在上砾 料层和下砾料层之间设有下止水层，在上砾料层至地面设有上止水层，在该围填层 中插有上层汇水管和下层汇水管，该上层汇水管的出口位于上砾料层，该下层汇水 管位于下砾料层；在围填层的孔腔设置井管，该井管自上而下包括依次连接的第一 井壁管、第一滤水管、第二井壁管、第二滤水管和沉淀管，该第一井壁管对着上止 水层、第一滤水管对着上砾料层、第二井壁管对着下止水层，第二滤水管对着第二 砾料层，沉淀管位于钻孔底部；

所述定向水平井组包括在上部含水层中安装的上层水平定向井以及在下部含 水层中安装的下层水平定向井；

所述抽水装置包括下层抽水装置、封隔器和上层抽水装置，该下层抽水装置包 括第二潜水泵和下层井壁管，该上层抽水装置包括第一潜水泵和上层井壁管，该下 层井壁管连接该封隔器，该封隔器位于第二井壁管，该第二潜水泵位于第二滤水管 中，第一潜水泵位于第一滤水管中，该第一潜水泵和第二潜水泵均为可正反转潜水 泵；

所述地面管汇包括主管汇、第一管汇、第二管汇、第三管汇、第四管汇、数个 阀门和射流器，第一管汇的一端通过第一阀门与该第一汇水管的上端连通，该上层 水平定向井的进出口通过第二阀门与该第一汇水管连通，该第一管汇的另一端连接 上层射流器，该上层射流器的出口通过连接管子A与主管汇连通，该连接管子A上安 装第十二阀门，在第二阀门与上层射流器之间的第一管汇上通过连接管子B与主管 汇连通，该连接管子B上安装第十一阀门；该第二管汇的一端通过第三阀门与第二 汇水管连通，该下层水平定向井的进出口通过第四阀门与第二管汇连通，该第二管 汇的另一端连接下层射流器，该下层射流器的出口通过连接管子C与主管汇连接， 该连接管子C上安装第五阀门，第四阀门与该下层射流器之间的第二管汇通过连接 管子D与主管汇连接，该连接管子D上安装第六阀门；所述上层井壁管的上端与主管 汇之间连接第三管汇，该第三管汇上安装第八阀门和第十阀，所述下层井壁管的上 端与主管汇连接第四管汇，该第四管汇上安装第七阀门和第九阀门，该第七阀门和 第九阀门之间的第四管汇与第八阀门和第十阀门的第三管汇之间通过连接管子E连 通。

优选地，所述上层水平定向井包括上层水平井井管，该上层水平井井管包括滤 水管，其中滤水管应在水平井的水平段并位于上部含水层的动水位下方，该滤水管 的两端分别连接井壁管A和井壁管B，该井壁管B的尾端连接底堵，该井壁管A的上 端伸出地面，该底堵不得漏气，掩埋于地面以下；所述下层水平定向井包括下层水 平井井管，该下层水平井井管包括底堵、滤水管和井壁管，其中滤水管应在水平井 的水平段并位于下部含水层的动水位下方；所述水平定向井在铺设时应垂直于场地 流向，铺设深度不易大于20m，所述水平定向井的滤水管位于污染区内或穿越多个 小型污染区。

优选地，所述水平定向井滤水管选用贴砾滤水管，防止泥沙对管路进行淤堵。

优选地，所述封隔器包括上接头、胶筒、滑动端和中心管，该中心管的上端和 下端分别连接下层井壁管，所述上接头通过内、外丝扣连接所述中心管和所述胶筒， 所述中心管与所述胶筒组成密封环腔，所述滑动端穿过中心管通过丝扣与所述胶筒 连接，并随着封隔器的启封与收缩沿着中心管滑动，所述滑动端与所述中心管通过 两道密封胶圈进行密封；所述封隔器上接头设有封隔器座封通道，通过高压管线连 接至地表高压泵，为封隔器座封充压；所述封隔器上接头和滑动端设有3个贯穿孔， 用于穿过水泵电缆为第二潜水泵供电；

优选地，所述封隔器的启封介质为液体，其工作原理为在封隔器下入作业位置后，通过地面高压泵将高压液体压入封隔器胶筒进行座封，完成任务后，打开地面 压力控制阀泄压，封隔器解封收回。

一种如上述任一项技术方案所述的复合循环井系统的使用方法：

通过地表高压泵向主井中的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态； 打开第一阀门、第二阀门、第十二阀门、第六阀门和第三阀门3，关闭其他阀门； 打开上层射流器，上层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形 成射流产生负压，上层射流形成的真空将上层水平井井管和上层汇水管内的水位抬 高至上层射流器进水口，提升上部含水层和下部含水层水位差；在水位差作用下， 上层射流器吸出的水通过第十二阀门、第六阀门和第三阀门注入下部含水层，至此， 循环井系统开启上吸-下注循环模式；

在上吸-下注循环模式中，若上部含水层和下含水层能保持稳定的水位差，关闭上层射流器，该循环模式可一直保持运转，不需要单独提供动力；若注入过程中， 下部含水层水位上升过快，注入速度变慢，可打开第四阀门，向下层水平定向井中 进行注入，由于水平定向井组横截面面积较大，注入速度也会相应加快。

一种如上述任一项技术方案所述的复合循环井系统的使用方法：通过地表高压泵向循环井主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第一阀门、 第二阀门、第十二阀门、第六阀门和第三阀门，关闭其他阀门；打开上层射流器， 上层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压， 上层射流形成的真空将上层水平井井管和上层汇水管内的水位抬高至上层射流器 进水口，提升上部含水层和下部含水层水位差；在水位差作用下，上层射流器吸出 的水通过第十二阀门、第六阀门和第三阀门注入下部含水层；至此，循环井系统开 启上吸-下注循环模式；

接着关闭上层射流器，上部含水层和下部含水层由于存在水位差仍可在虹吸模式下保持循环，水位差会在注水的过程中水位差逐渐减小，注水会比较困难，打开 第七阀门和第八阀门，打开第二潜水泵，对下部含水层进行抽水，并通过第七阀门 7和第八阀门注入上部含水层，通过该操作方法可进一步降低下部含水层水位，使 得上层含水层向下部含水层注水更加容易，同时能提升上部含水层水位，增大上、 下含水层之间的水位差，增强上、下含水层的水力循环，有效提升循环井影响半径。 至此，循环井系统开启上吸-下注-下抽-上注循环模式。

一种如上述任一项技术方案所述的复合循环井系统的使用方法：在封隔器启封正常座封后，通过打开第三阀门、第四阀门、第五阀门、第十一阀门和第一阀门， 关闭其他阀门，打开下层射流器，下层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经 喷嘴在高压区形成射流产生负压，射流形成的真空将下层水平井井管和下层汇水管 内的水位抬高至射流器进水口，下部含水层和上部含水层形成水位差；在水位差作 用下，射流器吸出的水通过第五阀门、第十一阀门和第一阀门注入上部含水层，至 此，循环井系统开启下吸-上注循环模式；

在下吸-上注循环模式中，若上部含水层和下部含水层能保持较为稳定的水位差，关闭下层射流器，该循环模式同样可一直保持运转，不需要单独提供动力。若 注入过程中，上部含水层水位上升过快，注入速度变慢，可打开第二阀门，向上层 水平定向井中进行注入，由于水平井横截面面积较大，注入速度也会相应加快。

一种如上述任一项技术方案所述的复合循环井系统的使用方法：在封隔器启封正常座封后，通过打开第三阀门、第四阀门、第五阀门、第十一阀门和第一阀门， 关闭其他阀门，打开下层射流器，下层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经 喷嘴在高压区形成射流产生负压，射流形成的真空将下层水平井井管和下层汇水管 内的水位抬高至射流器进水口，下部含水层和上部含水层形成水位差；在水位差作 用下，射流器吸出的水通过第五阀门、第十一阀门和第一阀门注入上部含水层，至 此，循环井系统开启下吸-上注循环模式；

关闭下层射流器，上、下含水层由于存在水位差仍可在虹吸模式下保持循环， 当水位差减小后，注水会比之前困难，接着，打开第七阀门和第八阀门，打开上层 潜水泵，对上部含水层进行抽水，并通过第七阀门和第八阀门注入下部含水层，通 过该操作方法可进一步降低上部含水层水位，水位差又会变大，使得下层含水层向 上部含水层注水更加容易，同时能提升下部含水层水位，增大上、下含水层之间的 水位差，增强上、下含水层的水力循环，有效提升循环井影响半径，至此，循环井 系统开启下吸-上注-上抽-下注循环模式。

一种如上述任一项技术方案所述的复合循环井系统的使用方法：通过地表高压泵向主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第七阀门、第九 阀门、第十一阀门和第二阀门，关闭其他阀门，打开第二潜水泵，对下部含水层进 行抽水，并通第七过阀门、第九阀门、第十一阀门和第二阀门向上层水平定向井进 行注水，通过该操作方法可进一步降低下部含水层水位，提升上部含水层水位，使 其形成较大的水位差，加强循环井上、下含水层水力循环；

在此基础上，进一步打开第一潜水泵、第八阀门和第十阀门，对上部含水层进 行抽水，并通过阀门第八、第十阀门、第十一阀门和第二阀门继续向上层水平定向 井进行注水，通过该操作使得循环井主井周围整体水位下降，水平定向井周围整体 水位上升，在污染区形成以循环井主井为中心的水力漏斗，水位差由近至远逐渐增 加，在水位差作用下，上层水平定向井向循环井进行补给，通过该方法可将循环井 主井周围的地下水循环扩大至上层定向水平井远端，以此实现大范围的水力循环。

一种如上述任一项技术方案所述的复合循环井系统的使用方法：通过地表高压泵向循环井主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第四阀门、 第六阀门、第八阀门和第十阀门，关闭其他阀门，打开第一潜水泵，对上部含水层 进行抽水，并通过第四阀门、第六阀门、第八阀门和第十阀门向下层水平定向井进 行注水，形成的水位差，加强循环井上、下含水层水力循环；

在此基础上，进一步打开第二潜水泵、第七阀门和第九阀门，对下部含水层进 行抽水，并通过第四阀门、第六阀门、第七阀门和第九阀门继续向下层水平定向井 进行注水，通过该操作使得循环井主井周围整体水位下降，水平定向井周围整体水 位上升，在污染区形成以循环井主井为中心的水力漏斗，水位差由近至远逐渐增加， 在水位差作用下，下层水平定向井向循环井主井进行补给，通过该方法可将循环井 主井周围的地下水循环扩大至下层定向水平井远端，以此实现大范围的水力循环。

本发明的有益效果：。

)本发明的复合循环井系统以循环井主井和定向水平井组为基础，通过配合药 剂注入设备、曝气设备以及生物反应器等，能够大幅提升污染物去除效率，缩短循 环井修复和净化周期；

2)本发明的复合循环井系统可提供六种以上地下水循环模式，能够有效提升 上、下含水层水位差，增大循环井水动力调控区域，可满足不同水文地质条件下污 染修复，拓宽了循环井应用范围；

3)本发明的复合循环井系统提供的上吸-下注循环模式和下吸-上注循环模式在启动阶段需要射流器工作，后期仅依靠虹吸作用就可完成，低成本，绿色环保，该 模式适用于水位较浅(8m以内)地区；

4)本发明的复合循环井系统装置引入定向水平井组组，不仅大幅增加了循环 井影响半径，而且水平井组横截面较大，注水阻力较小，能够有效解决抽注不平衡 的问题；

5)本发明的复合循环井系统引入定向水平井组组，配合高压药剂注入技术， 能够有效提升修复效率；

6)本发明的复合循环井系统采用了水平井技术，其管线铺设于地下，能够有 效节省钻孔占地面积及施工成本；

7)本发明的复合循环井系统采用封隔器进行井内分层，封隔性能可靠，而且 可重复使用；

8)本发明的复合循环井系统安装简单，其管汇主要铺设于地表，维护和检修 方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将结合附图对本实施例进行描述。

图1是本发明的侧视结构示意图。

图2为本发明的封隔器的结构示意图。

具体实施方式

以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然并非用以限制本发明所欲保护的范畴，合先叙明。

如图1所示，为本发明的一种复合循环井系统，包括循环井系统、抽水装置和 地面管汇；该循环井系统包括循环井主井和定向水平井组；该循环井包括主井和定 向水平井组，循环井、抽水装置通过连接地面管汇形成闭合回路；

所述循环井主井包括钻孔、围填层和井管，该围填层位于钻孔和井管的环状间隙，该围填层包括与上部含水层(上层污染区10)对应的上砾料层11以及与下部含 水层(下层污染区20)对应的下砾料层12，在上砾料层11和下砾料层12之间设有下 止水层13，在上砾料层11至地面设有上止水层14，在该围填层中插有上层汇水管15 和下层汇水管16，上层汇水管和下层汇水管的采用PVC-U管，其公称直径为 50-75mm，根据需要可环绕井管设置2-4根，该上层汇水管15的出口位于上砾料层11， 该下层汇水管16位于下砾料层12；在围填层的孔腔设置井管，该井管的公称直径 400-800mm，可采用不锈钢管、低碳钢管或PE管，在井管的入口处安装密封盖，该 井管自上而下包括依次连接的第一井壁管21、第一滤水管22、第二井壁管23、第二 滤水管24和沉淀管25，该第一井壁管21对着上止水层14、第一滤水管22对着上砾料 层11、第二井壁管23对着下止水层13，第二滤水管24对着下砾料层12，沉淀管25位 于钻孔底部；

所述定向水平井组包括在上部含水层中安装的上层水平定向井31以及在下部 含水层中安装的下层水平定向井32；所述上层水平定向井31包括上层水平井井管， 该上层水平井井管包括滤水管311，该滤水管311的两端分别连接井壁管A和井壁管 B，该井壁管B的尾端连接底堵312，该井壁管A313的上端伸出地面，其中滤水管312 应在水平井的水平段并位于上部含水层的动水位下方，所该底堵不得漏气，掩埋于 地面以下；所述下层水平定向井同样由底堵、滤水管和井壁管组成，其中滤水管应 在水平井的水平段并位于下部含水层的动水位下方；滤水管选用贴砾滤水管，防止 泥沙对管路进行淤堵；所述水平定向井组在铺设时应垂直于场地流向，铺设深度不 易大于20m，所述水平定向井组的滤水管位于污染区内或穿越多个小型污染区。优 选地，所述水平定向井的井管规格通常为60-90mm，所插入的钻孔孔径应在 110-350mm；

所述抽水装置包括下层抽水装置、封隔器和上层抽水装置，该下层抽水装置包 括第二潜水泵41和下层井壁管42，该上层抽水装置包括第一潜水泵43和上层井壁管 44，该下层井壁管连接该封隔器45，该封隔器45对着第二井壁管23，该第二潜水泵 伸入第二滤水管中或下部含水层的动水位下方，第一潜水泵伸入第一滤水管中或上 部含水层的动水位下方，所述上层汇水管和所述下层汇水管的井管规格视汇水流 量、射流效果而定，可采用PVC-U管，通过丝扣进行连接，采用O型圈进行密封， 设计为50-75mm，根据需要可环绕所述循环井主井井管设置2-4根；潜水泵为不锈钢 潜水泵，既能正转，也能进行反转；如图2所示，所述述封隔器45包括上接头451、 胶筒452、滑动端453和中心管454，该中心管的上端和下端分别连接下层井壁管， 所述上接头451、滑动端453和中心管454均采用不锈钢材质，所述胶452筒采用丁腈 橡胶；所述上接头451通过内、外丝扣连接所述中心管454和所述胶筒452，所述滑 动端453穿过中心管454通过丝扣与所述胶筒452连接，并随着封隔器的启封与收缩 沿着中心管滑动，所述滑动端与所述中心管通过两道密封胶圈进行密封；所述中心管与所述胶筒组成密封环腔，所述上接头451设有封隔器座封通道4511，通过高压管 线连接至地表高压泵，为封隔器座封充压；所述封隔器上接头和滑动端设有3个贯 穿孔，用于穿过水泵电缆455为第二潜水泵供电；

优选地，所述封隔器的启封介质为液体，其工作原理为在封隔器下入作业位置后，通过地面高压泵将高压液体压入封隔器胶筒进行座封，完成任务后，打开地面 压力控制阀泄压，封隔器解封收回。

所述地面管汇采用高压软管，其两端设有丝扣密封接头与各管道进行连接，不 得漏气，地面管汇包括主管汇50、第一管汇60、第二管汇70、第三管汇80、第四管 汇90、数个阀门和射流器，第一管汇60的一端通过第一阀门61与该上层汇水管15的 上端连通，该上层水平定向井的井壁管A313通过第二阀门62与该第一管汇60连通， 该第一管汇60的另一端连接上层射流器63，上层射流器63的出口通过连接管子A64 与主管汇50连通，该连接管子A64上安装第十二阀门65，在第二阀门62与上层射流 器64之间的第一管汇60上通过连接管子B66与主管汇50连通，该连接管子B66上安装 第十一阀门67；该第二管汇70的一端通过第三阀门71与下层汇水管14连通，该下层 水平定向井的井壁管C321通过第四阀门72与第二管汇70连通，该第二管汇70的另一 端连接下层射流器73，下层射流器73的出口通过连接管子C74与主管汇50连接，该 连接管子C74上安装第五阀门75，第四阀门72与下层射流器73之间的第二管汇70通 过连接管子D76与主管汇50连接，该连接管子D76上安装第六阀门77；所述上层井壁 管42的上端与主管汇50之间连接第三管汇80，该第三管汇80上安装第八阀门81和第 十阀82，所述下层井壁管42的上端与主管汇50连接第四管汇90，该第四管汇90上安装第七阀门91和第九阀门92，该第七阀门91和第九阀门92之间的第四管汇与第八阀 门和第十阀门的第三管汇之间通过连接管子E100连通；所述第一阀门1、第二阀门 与所述主管汇设有两条回路，其中一条回路为经过第十一阀门连接至主管汇，另一 条回路为经上层射流器、第十二阀门连接至主管汇；所述第三阀门、第四阀门与所 述主管汇同样设有两条回路，其中一条回路为经过第六阀门连接至主管汇，另一条 回路为经下层射流器、第五阀门连接至主管汇。

下面介绍本发明的复合循环井系统使用方法：

(1)上吸-下注循环模式

通过地表高压泵向主井中的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态； 打开第一阀门、第二阀门、第十二阀门、第六阀门和第三阀门3，关闭其他阀门； 打开上层射流器，上层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形 成射流产生负压，上层射流形成的真空将上层水平井井管和上层汇水管内的水位抬 高至上层射流器进水口，提升上部含水层和下部含水层水位差；在水位差作用下， 上层射流器吸出的水通过第十二阀门、第六阀门和第三阀门注入下部含水层，至此， 循环井系统开启上吸-下注循环模式；

在上吸-下注循环模式中，若上部含水层和下含水层能保持稳定的水位差，关闭上层射流器，该循环模式可一直保持运转，不需要单独提供动力；若注入过程中， 下部含水层水位上升过快，注入速度变慢，可打开第四阀门，向下层水平定向井中 进行注入，由于水平定向井组横截面面积较大，注入速度也会相应加快。

(2)上吸-下注-下抽-上注循环模式

通过地表高压泵向循环井主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第一阀门、第二阀门、第十二阀门、第六阀门和第三阀门3，关闭其他阀 门；打开上层射流器，上层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压 区形成射流产生负压，上层射流形成的真空将上层水平井井管和上层汇水管内的水 位抬高至上层射流器进水口，提升上部含水层和下部含水层水位差；在水位差作用 下，上层射流器吸出的水通过第十二阀门、第六阀门和第三阀门注入下部含水层； 至此，循环井系统开启上吸-下注循环模式；

接着关闭上层射流器，上部含水层和下部含水层由于存在水位差仍可在虹吸模式下保持循环，水位差会在注水的过程中水位差逐渐减小，注水会比较困难，打开 第七阀门和第八阀门，打开第二潜水泵，对下部含水层进行抽水，并通过第七阀门 7和第八阀门注入上部含水层，通过该操作方法可进一步降低下部含水层水位，使 得上层含水层向下部含水层注水更加容易，同时能提升上部含水层水位，增大上、 下含水层之间的水位差，增强上、下含水层的水力循环，有效提升循环井影响半径。 至此，循环井系统开启上吸-下注-下抽-上注循环模式。

(3)下吸-上注循环模式

在封隔器启封正常座封后，通过打开第三阀门、第四阀门、第五阀门、第十一 阀门和第一阀门，关闭其他阀门，打开下层射流器，下层射流器通过电机驱动叶轮 进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压，射流形成的真空将下层水平井 井管和下层汇水管内的水位抬高至射流器进水口，下部含水层和上部含水层形成水 位差；在水位差作用下，射流器吸出的水通过第五阀门、第十一阀门和第一阀门注 入上部含水层，至此，循环井系统开启下吸-上注循环模式；

在下吸-上注循环模式中，若上部含水层和下部含水层能保持较为稳定的水位差，关闭下层射流器，该循环模式同样可一直保持运转，不需要单独提供动力。若 注入过程中，上部含水层水位上升过快，注入速度变慢，可打开第二阀门，向上层 水平定向井中进行注入，由于水平井横截面面积较大，注入速度也会相应加快。

(4)下吸-上注-上抽-下注循环模式

在封隔器启封正常座封后，通过打开第三阀门、第四阀门、第五阀门、第十一 阀门和第一阀门，关闭其他阀门，打开下层射流器，该下层射流器通过电机驱动叶 轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压，射流形成的真空将下层水平 井井管和下层汇水管内的水位抬高至射流器进水口，下部含水层和上部含水层形成 水位差；在水位差作用下，射流器吸出的水通过第五阀门、第十一阀门和第一阀门 注入上部含水层，至此，循环井系统开启下吸-上注循环模式；

关闭下层射流器，上、下含水层由于存在水位差仍可在虹吸模式下保持循环， 当水位差减小后，注水会比之前困难，接着，打开第七阀门和第八阀门，打开上层 潜水泵，对上部含水层进行抽水，并通过第七阀门和第八阀门注入下部含水层，通 过该操作方法可进一步降低上部含水层水位，水位差又会变大，使得下层含水层向 上部含水层注水更加容易，同时能提升下部含水层水位，增大上、下含水层之间的 水位差，增强上、下含水层的水力循环，有效提升循环井影响半径，至此，循环井 系统开启吸-上注-上抽-下注循环模式。

(5)下抽-上注-上抽-上注循环模式

通过地表高压泵向主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打 开第七阀门、第九阀门、第十一阀门和第二阀门，关闭其他阀门，打开第二潜水泵， 对下部含水层进行抽水，并通第七过阀门、第九阀门、第十一阀门和第二阀门向上 层水平定向井进行注水，通过该操作方法可进一步降低下部含水层水位，提升上部 含水层水位，使其形成较大的水位差，加强循环井上、下含水层水力循环；

在此基础上，进一步打开第一潜水泵、第八阀门和第十阀门，对上部含水层进 行抽水，并通过阀门第八、第十阀门、第十一阀门和第二阀门继续向上层水平定向 井进行注水，通过该操作使得循环井主井周围整体水位下降，水平定向井周围整体 水位上升，在污染区形成以循环井主井为中心的水力漏斗，水位差由近至远逐渐增 加，在水位差作用下，上层水平定向井向循环井进行补给，通过该方法可将循环井 主井周围的地下水循环扩大至上层定向水平井远端，以此实现大范围的水力循环。

(6)上抽-下注-下抽-下注循环模式

首先，通过地表高压泵向循环井主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持 座封状态；打开第四阀门、第六阀门、第八阀门和第十阀门，关闭其他阀门，打开 第一潜水泵，对上部含水层进行抽水，并通过第四阀门、第六阀门、第八阀门和第 十阀门向下层水平定向井进行注水，形成的水位差，加强循环井上、下含水层水力 循环；

在此基础上，进一步打开第二潜水泵、第七阀门和第九阀门，对下部含水层进 行抽水，并通过第四阀门、第六阀门、第七阀门和第九阀门继续向下层水平定向井 进行注水，通过该操作使得循环井主井周围整体水位下降，水平定向井周围整体水 位上升，在污染区形成以循环井主井为中心的水力漏斗，水位差由近至远逐渐增加， 在水位差作用下，下层水平定向井向循环井主井进行补给，通过该方法可将循环井 主井周围的地下水循环扩大至下层定向水平井远端，以此实现大范围的水力循环。

本发明通过在第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门与注入设备、曝气设 备和井内生物反应器连接，以快速实现污染物去除。

通过以上操作方法与模式可实现上、下含水层较高的水位差，并借助循环井主井、水平定向井组成的系统解决传统循环井抽注不平衡的问题，增大循环井水动力 调控区域，提升污染物去除效率，缩短循环井修复和净化周期。

本发明新型复合循环井系统装置的机理为：通过组合循环井主井与定向水平井组组形成复合循环井系统，利用射流-负压原理虹吸地下水提升地下水水位，结合上、 第二潜水泵对所在含水层进行抽水，可实现上、下含水层较高的水位差，解决传统 循环井抽注不平衡的问题，增大循环井水动力调控区域，配合药剂注入设备、曝气 设备以及井内生物反应器等，能够大幅提升污染物去除效率，缩短循环井修复和净 化周期，形成适合我国国情的循环井修复技术体系，为地下水循环井在国内推广与 应用奠定基础。相比于传统的循环井主井内的下抽-上注模式，该模式造成的上、下 含水层水位差更大，水动力循环更强，循环影响半径更大，能大幅提升污染修复效 率，而且水平井比竖井更容易进行注入，操作上更加简单。

Claims (10)

1.一种复合循环井系统，其特征在于：包括循环井系统、抽水装置和地面管汇，该循环井系统包括循环井主井和定向水平井组；

所述循环井主井包括钻孔、围填层和井管，该围填层位于钻孔和井管的环状间隙，包括与上部含水层对应的上砾料层以及与下部含水层对应的下砾料层，在上砾料层和下砾料层之间设有下止水层，在上砾料层至地面设有上止水层，在该围填层中插有上层汇水管和下层汇水管，该上层汇水管的出口位于上砾料层，该下层汇水管位于下砾料层；在围填层的孔腔设置井管，该井管自上而下包括依次连接的第一井壁管、第一滤水管、第二井壁管、第二滤水管和沉淀管，该第一井壁管对着上止水层、第一滤水管对着上砾料层、第二井壁管对着下止水层，第二滤水管对着第二砾料层，沉淀管位于钻孔底部；

所述定向水平井组包括在上部含水层中安装的上层水平定向井以及在下部含水层中安装的下层水平定向井；

所述抽水装置包括下层抽水装置、封隔器和上层抽水装置，该下层抽水装置包括第二潜水泵和下层井壁管，该上层抽水装置包括第一潜水泵和上层井壁管，该下层井壁管连接该封隔器，该封隔器位于第二井壁管，该第二潜水泵位于第二滤水管中，第一潜水泵位于第一滤水管中，该第一潜水泵和第二潜水泵均为可正反转潜水泵；

所述地面管汇包括主管汇、第一管汇、第二管汇、第三管汇、第四管汇、数个阀门和射流器，第一管汇的一端通过第一阀门与该上层汇水管的上端连通，该上层水平定向井的进出口通过第二阀门与该第一管汇连通，该第一管汇的另一端连接上层射流器，该上层射流器的出口通过连接管子A与主管汇连通，该连接管子A上安装第十二阀门，在第二阀门与上层射流器之间的第一管汇上通过连接管子B与主管汇连通，该连接管子B上安装第十一阀门；该第二管汇的一端通过第三阀门与第二汇水管连通，该下层水平定向井的进出口通过第四阀门与第二管汇连通，该第二管汇的另一端连接下层射流器，该下层射流器的出口通过连接管子C与主管汇连接，该连接管子C上安装第五阀门，第四阀门与该下层射流器之间的第二管汇通过连接管子D与主管汇连接，该连接管子D上安装第六阀门；所述上层井壁管的上端与主管汇之间连接第三管汇，该第三管汇上安装第八阀门和第十阀，所述下层井壁管的上端与主管汇连接第四管汇，该第四管汇上安装第七阀门和第九阀门，该第七阀门和第九阀门之间的第四管汇与第八阀门和第十阀门的第三管汇之间通过连接管子E连通。

2.根据权利要求1所述的复合循环井系统，其特征在于：所述上层水平定向井包括上层水平井井管，该上层水平井井管包括滤水管，其中滤水管应在水平井的水平段并位于上部含水层的动水位下方，该滤水管的两端分别连接井壁管A和井壁管B，该井壁管B的尾端连接底堵，该井壁管A的上端伸出地面，该底堵不得漏气，掩埋于地面以下；所述下层水平定向井包括下层水平井井管，该下层水平井井管包括底堵、滤水管和井壁管，其中滤水管应在水平井的水平段并位于下部含水层的动水位下方；所述水平定向井在铺设时应垂直于场地流向，铺设深度不宜大于20m，所述水平定向井的滤水管位于污染区内或穿越多个小型污染区。

3.根据权利要求1或2所述的复合循环井系统，其特征在于：所述水平定向井滤水管选用贴砾滤水管，防止泥沙对管路进行淤堵。

4.根据权利要求1所述的复合循环井系统，其特征在于：所述封隔器包括上接头、胶筒、滑动端和中心管，该中心管的上端和下端分别连接下层井壁管，所述上接头通过内、外丝扣连接所述中心管和所述胶筒，所述中心管与所述胶筒组成密封环腔，所述滑动端穿过中心管通过丝扣与所述胶筒连接，并随着封隔器的启封与收缩沿着中心管滑动，所述滑动端与所述中心管通过两道密封胶圈进行密封；所述封隔器上接头设有封隔器座封通道，通过高压管线连接至地表高压泵，为封隔器座封充压；所述封隔器上接头和滑动端设有3个贯穿孔，用于穿过水泵电缆为第二潜水泵供电；

所述封隔器的启封介质为液体，其工作原理为在封隔器下入作业位置后，通过地表高压泵将高压液体压入封隔器胶筒进行座封，完成任务后，打开地面压力控制阀泄压，封隔器解封收回。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的复合循环井系统的使用方法，其特征在于：

通过地表高压泵向主井中的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第一阀门、第二阀门、第十二阀门、第六阀门和第三阀门，关闭其他阀门；打开上层射流器，上层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压，上层射流形成的真空将上层水平井井管和上层汇水管内的水位抬高至上层射流器进水口，提升上部含水层和下部含水层水位差；在水位差作用下，上层射流器吸出的水通过第十二阀门、第六阀门和第三阀门注入下部含水层，至此，循环井系统开启上吸-下注循环模式；

在上吸-下注循环模式中，若上部含水层和下含水层能保持稳定的水位差，关闭上层射流器，该循环模式可一直保持运转，不需要单独提供动力；若注入过程中，下部含水层水位上升过快，注入速度变慢，可打开第四阀门，向下层水平定向井中进行注入，由于水平定向井组横截面面积较大，注入速度也会相应加快。

6.一种如权利要求1至4任一项所述的复合循环井系统的使用方法，其特征在于：通过地表高压泵向循环井主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第一阀门、第二阀门、第十二阀门、第六阀门和第三阀门，关闭其他阀门；打开上层射流器，上层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压，上层射流形成的真空将上层水平井井管和上层汇水管内的水位抬高至上层射流器进水口，提升上部含水层和下部含水层水位差；在水位差作用下，上层射流器吸出的水通过第十二阀门、第六阀门和第三阀门注入下部含水层；至此，循环井系统开启上吸-下注循环模式；

接着关闭上层射流器，上部含水层和下部含水层由于存在水位差仍可在虹吸模式下保持循环，水位差会在注水的过程中逐渐减小，注水会比较困难，打开第七阀门和第八阀门，打开第二潜水泵，对下部含水层进行抽水，并通过第七阀门和第八阀门注入上部含水层，通过该操作方法可进一步降低下部含水层水位，使得上层含水层向下部含水层注水更加容易，同时能提升上部含水层水位，增大上、下含水层之间的水位差，增强上、下含水层的水力循环，有效提升循环井影响半径，至此，循环井系统开启上吸-下注-下抽-上注循环模式。

7.一种如权利要求1至4任一项所述的复合循环井系统的使用方法，其特征在于：

在封隔器启封正常座封后，通过打开第三阀门、第四阀门、第五阀门、第十一阀门和第一阀门，关闭其他阀门，打开下层射流器，下层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压，射流形成的真空将下层水平井井管和下层汇水管内的水位抬高至射流器进水口，下部含水层和上部含水层形成水位差；在水位差作用下，射流器吸出的水通过第五阀门、第十一阀门和第一阀门注入上部含水层，至此，循环井系统开启下吸-上注循环模式；

在下吸-上注循环模式中，若上部含水层和下部含水层能保持较为稳定的水位差，关闭下层射流器，该循环模式同样一直保持运转，不需要单独提供动力，若注入过程中，上部含水层水位上升过快，注入速度变慢，可打开第二阀门，向上层水平定向井中进行注入，由于水平井横截面面积较大，注入速度也会相应加快。

8.一种如权利要求1至4任一项所述的复合循环井系统的使用方法，其特征在于：

在封隔器启封正常座封后，通过打开第三阀门、第四阀门、第五阀门、第十一阀门和第一阀门，关闭其他阀门，打开下层射流器，下层射流器通过电机驱动叶轮进行汲水，水流经喷嘴在高压区形成射流产生负压，射流形成的真空将下层水平井井管和下层汇水管内的水位抬高至射流器进水口，下部含水层和上部含水层形成水位差；在水位差作用下，射流器吸出的水通过第五阀门、第十一阀门和第一阀门注入上部含水层，至此，循环井系统开启下吸-上注循环模式；

关闭下层射流器，上、下含水层由于存在水位差仍可在虹吸模式下保持循环，当水位差减小后，注水会比之前困难，接着，打开第七阀门和第八阀门，打开上层潜水泵，对上部含水层进行抽水，并通过第七阀门和第八阀门注入下部含水层，通过该操作方法可进一步降低上部含水层水位，水位差又会变大，使得下层含水层向上部含水层注水更加容易，同时能提升下部含水层水位，增大上、下含水层之间的水位差，增强上、下含水层的水力循环，有效提升循环井影响半径，至此，循环井系统开启下吸-上注-上抽-下注循环模式。

9.一种如权利要求1至4任一项所述的复合循环井系统的使用方法，其特征在于：

通过地表高压泵向主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第七阀门、第九阀门、第十一阀门和第二阀门，关闭其他阀门，打开第二潜水泵，对下部含水层进行抽水，并通过第七阀门、第九阀门、第十一阀门和第二阀门向上层水平定向井进行注水，通过该操作方法可进一步降低下部含水层水位，提升上部含水层水位，使其形成较大的水位差，加强循环井上、下含水层水力循环；

在此基础上，进一步打开第一潜水泵、第八阀门和第十阀门，对上部含水层进行抽水，并通过第八阀门、第十阀门、第十一阀门和第二阀门继续向上层水平定向井进行注水，通过该操作使得循环井主井周围整体水位下降，水平定向井周围整体水位上升，在污染区形成以循环井主井为中心的水力漏斗，水位差由近至远逐渐增加，在水位差作用下，上层水平定向井向循环井进行补给，通过该方法可将循环井主井周围的地下水循环扩大至上层水平定向井远端，以此实现大范围的水力循环。

10.一种如权利要求1至4任一项所述的复合循环井系统的使用方法，其特征在于：

通过地表高压泵向循环井主井的封隔器充压，使封隔器进行座封并保持座封状态；打开第四阀门、第六阀门、第八阀门和第十阀门，关闭其他阀门，打开第一潜水泵，对上部含水层进行抽水，并通过第四阀门、第六阀门、第八阀门和第十阀门向下层水平定向井进行注水，形成水位差，加强循环井上、下含水层水力循环；

在此基础上，进一步打开第二潜水泵、第七阀门和第九阀门，对下部含水层进行抽水，并通过第四阀门、第六阀门、第七阀门和第九阀门继续向下层水平定向井进行注水，通过该操作使得循环井主井周围整体水位下降，水平定向井周围整体水位上升，在污染区形成以循环井主井为中心的水力漏斗，水位差由近至远逐渐增加，在水位差作用下，下层水平定向井向循环井主井进行补给，通过该方法可将循环井主井周围的地下水循环扩大至下层水平定向井远端，以此实现大范围的水力循环。

Images