JP7290329B2 - 水井戸のメンテナンス法－時間をベースにしたアプローチ - Google Patents

Description

本発明は、井戸内に揚水設備を設置した状態での予防的井戸メンテナンス法の改良に関するものです。

アクアガード（登録商標）は、井戸を機能不全になるまで稼働させる地下水井戸業界の伝統的なアプローチから一線を画す革新的な洗浄プロセスです。機能不全になるまで稼働するという考え方から脱却する上での目標は、（ほとんど全ての井戸で自然に発生している）井戸周辺環境に成長している物質をそれが軟らかくかつ容易に除去できる状態においてターゲットにすることです。付着物質のほとんどは、時を経て鉱物化が完了するまでは軟らかい状態にあります。最終的に移動するのが困難になるであろう物質は、時間間隔アプローチで洗浄作業をスケジュールすることによって、井戸から、そして周囲のフィルターパックと帯水層近傍から容易に除去されます。

井戸内に恒久的なアクアガード（登録商標）装置を設置することにより、揚水装置や注入装置を引き上げることなく、洗浄作業が行えます。洗浄作業における揚水装置の引き上げや交換は、通常の井戸洗浄作業に、多大なる休止時間とコストを与えます。井戸から汲み上げる水の量と質を維持しながら井戸の休止時間を最小限に抑えるという考え方は、アクアガード（登録商標）が志向する井戸を保護するというモデルにとって最も重要です。

アクアガード（登録商標）は、天然の二酸化炭素(CO₂)を利用した井戸洗浄プロセスであり、排出規制の遵守を容易にし、かつ、井戸内、フィルターパック、および周辺の帯水層全体への洗浄エネルギーのより良い分配を可能にします。井戸を洗浄するためにはエネルギーが必要です。井戸構造全体を効果的に洗浄するには、エネルギーの混合が必要になるかもしれません。アクアガード（登録商標）の洗浄プロセスに利用されるほとんどのエネルギーは、二酸化炭素(CO₂)の多様な相によって提供されます。CO₂が引き起こす相は、温度と圧力の関数であり、井戸環境においては３つの相の全て（固体、液体および気体）が発生し得ます。アクアガード（登録商標）において、制御された状態で、二酸化炭素の液体相と気体相を注入します。井戸内に液体CO₂が注入される時、注入ポイントで遭遇する圧力と温度は、CO₂が液体として存在するための安定した環境を最初は提供しません。従ってCO₂は、気体への相変化を受けます。CO₂の液体から気体への相変化は、最大570倍の体積膨張を引き起こします。この体積膨張は、井戸内および井戸周辺環境内での洗浄作用および攪拌をもたらすエネルギー源の１つです。

別のエネルギー源は、液体CO₂の制御された注入による井戸内の水の熱力学的冷却です（液体および固体のCO₂は非常に冷たくなり得る）。水が十分に冷えると、凍ることがあります。固体の水（氷）は液体の水よりも体積が大きく、氷が形成されると、井戸内の細孔空隙を塞いでいる物質が分解してゆるむ可能性があります。

アクアガード（登録商標）プロセスで井戸に供給されるエネルギーには、さまざまな側面があり、利用することができます。エネルギーをCO₂液体と気体の形で井戸に供給すると、液体から気体へ、液体から固体へ、そして固体から気体へ（昇華）の相変化を引き起こします。これは目詰まり物質を緩めるエネルギーを届けるための最も効果的な方法であることが実証されています。アクアガード（登録商標）プロセスは経済的で、井戸の揚水能力を回復し、危険な化学物質を中和して処分する必要性を排除します。

本発明の目的は、長い生産区間を有する井戸の生産区間全長にわたって、有効なエネルギーをより良く分配することによってアクアガード（登録商標）プロセスを改良することです。

井戸構造の全ての部分にエネルギーを分配するという挑戦もまた本発明の目的です。井戸の上部ケーシング、井戸スクリーンを配置した、あるいは裸孔井戸の生産区間、フィルターパック、そして井戸周辺の地層を含む全ての部分にエネルギーを供給します。

密封された井戸内で、二酸化炭素エネルギーを使用して運搬および分配することができる環境に優しい化学物質を含んだ混合エネルギーによって、エネルギーの分配が達成できます。二酸化炭素の相変化は化学物質の攪拌を引き起こし、それらが井戸のすべての領域に到達することを可能にします。井戸の生産区間が長い場合、混合エネルギーが必要となります。

既存のアクアガード（登録商標）アプローチに対する改良には、より均等なエネルギー分布を達成するために混合エネルギーの使用が含まれます。化学エネルギー、熱エネルギーおよび機械的エネルギーの組み合わせは、液体から気体へ、液体から固体へ、および固体から気体への二酸化炭素の相変化によって生じます。

アメリカ国立科学財団（NSF）によって承認された占有の化学物質によって提供される化学エネルギーは、鉱物の溶解に有効であり、そして生物学的分散と消毒、金属の分散および粘土の分散に有効です。化学物質を井戸に入れ、二酸化炭素の相変化による攪拌を利用することで、化学エネルギーが井戸のすべての場所に供給されます。

パルス状エネルギー急速放出装置を井戸底に置くことができます。これらの装置は、高圧で放出可能なエネルギーを貯蔵でき、周辺のフィルターパックと地層内の細粒成分を結集できる破壊的なエネルギーの放出を可能にします。ひとたびエネルギーが放出されると、圧力はもう一つの急速放出のために再構築され、このサイクルが、エネルギーが急速放出装置に導入されなくなるまで繰り返されます。圧力逃し弁が、エネルギー配送機構として選択される場合、それは静水圧に基づいて選択されます。圧力逃し弁は二酸化炭素の液相および気相を利用し、そして放出後に閉じて圧力が再び上昇することを可能にするように設計されます。

水井戸の環境における全ての表面上の生物学的付着物とそれに付随する鉱物は、井戸内に恒久的に設置可能な低電圧抵抗装置を使って測定できます。これを使って、表面が汚れた時に、または、物質の蓄積の形跡がある時に洗浄サイクルを開始することができます。

低電圧抵抗装置内のセンサーの被覆は、抵抗器に接続されているワイヤー内の電圧の変化を識別します。様々な理由によって低電圧抵抗装置が設置できない多くの井戸において、時間間隔アプローチを維持することが重要です。現時点では、抵抗装置を持たない井戸の場合、いつ井戸を洗浄すべきか示す良い装置がありません。

井戸の比湧出量の計算法は、業界標準であり、今日でも井戸の生産能力の指標として使用されています。比湧出量は、単位水位降下量当たりの揚水量（ガロン／分／フィート）として定義されます。長年にわたり井戸を稼働すると、井戸の閉塞プロセスが進行し、比湧出量は低下します。

フィルターパックを持つスクリーンが設置された井戸で揚水ポンプがセットされている。 異なる流動様式を表現している。

図１は、可変間隔注入サイクルの利点を現しています。井戸に液体CO₂を注入している際に、水は二酸化炭素で過飽和になります。注入バルブにより、CO₂の液体から気体の注入に移行すると、CO₂で満たされた水からCO₂が放出され、水位は急速に低下します。液体から気体の注入に切り替えると、井戸に水が急速に流れ込み急激なサージが発生します。この急激なサージは、付着した物質を破壊し、剥離した閉塞物質を運び出し、そして、井戸周辺の空隙に進入していた細粒物質を帯水層から引き出すことができます。

気体と液体の注入間隔を操作することは、洗浄プロセスの効率と有効性を改善し、気体と液体の注入の変化によって生じるサージは、液体注入時間を長くして気体注入時間を短くすることによって最大化されます。

サージ効果は、井戸内の気泡の濃度の変化によって井戸内で引き起こされます。液体CO₂が井戸に注入されると、井戸内の気泡の濃度は非常に高くなり、井戸内の水の表面は非常に攪拌されます。井戸内の高濃度の気泡は、井戸内で高濃度の気体の上昇をもたらし、浮力効果を生み出します。二酸化炭素の制御注入により液相から気相へと移行すると、高濃度の気泡は急激に濃度が低下し、井戸内で水位が急速に低下します。

本質的に、高濃度の気体で満たされた水柱内の容積は、高濃度のCO₂（液体注入）が止まるにつれて崩壊します。液体CO₂注入時の浮力効果に加えて、水中からガスが出てくるために井戸内の水位が下向きになり、そして気体への注入に戻ると水が井戸内に流れ込み、サージング効果が生じます。「浮力」効果を生み出すのに必要な液体の量を計算することによって、気体注入から液体注入への移行によって引き起こされるサージングを最大化することができます。

所望の浮力効果が達成できたら、気体注入への切り替えを行うことができます。CO₂の供給圧力および井戸内への流入量を理解することにより、CO₂の液体と気体を注入するタイミングのメカニズムを使用することができます。タイミングのメカニズムを用いた供給の制御は、サージング効果を最大化し、異なる相のCO₂の供給が井戸内で最大量の水の移動を生み出すことを確実にします。

液体CO₂から気体CO₂への移行が水柱に及ぼすサージング効果を最大化することに加えて、井戸に送り込むCO₂のより優れた制御が、CO₂注入中の井戸内において、もう一つの形態のエネルギーの配送を最大化できます。多相流は、アクアガード（登録商標）プロセスが保有する多相流には２つの形態が存在することを示しています。

多相流の最初の形態は、井戸へのCO₂の直接供給です。CO₂は、オペレータがどのように注入を制御するかに応じて、気体のみ、液体のみ、または気体と液体の混合の３つの異なる形態で供給装置内を移動します。２相流体が鉛直水柱内を流れる際には、多様な流動様式が存在します；気泡流、スラグ流、チャーン流、環状流、ウイスピー環状流。流体が流れ込む際の流動様式は、気体対液体の濃度、ならびに管内の液体の速度に基づきます。CO₂混合体を供給するための最良の方法の決定がなされ、供給管を通る流れは、決定された方法でCO₂を供給するために流量制御装置を用いて制御することができます。CO₂を供給するための最良の方法は、次の２つの効果を作り出す最も効果的な方法を提供する流動様式がいずれかによって決定される；１）注入プロセスにおける液体から気体への移行によって引き起こされるサージング効果、および２）渦効果。CO₂供給の流動様式は、選択した流動様式がアクアガード（登録商標）プロセスに及ぼす効果を標的とすることになります。

２番目の観点は、注入深度より先での多相流です。液相と気相が井戸に入ると、そして、液相が気体に変化すると、井戸内の水という液相とCO₂の気体が上昇するという気相の場所で、新しい多相流動様式に遭遇します。この２番目の流動様式の目標は、閉塞物質のほとんどを除去することです。図２を注意して見ると、ある流動様式が他の流動様式より破壊的なことがわかります。特に、気泡流と環状流の流動様式は、スラグ流あるいはチャーン流のような形状の流動様式ほどは破壊的ではないように見えます。注入は多相流動様式によって制御され、それは井戸近傍の環境を最も混乱することになります。

図１は、フィルターパックを持ち、スクリーンが設置され、揚水装置がセットされている井戸を示しています。

異なった井戸のタイプとして、例えば、上水用井戸、注入井戸、表流水を帯水層に注入・貯留し必要時に揚水する井戸、回収井戸、観測用井戸、集水井戸、傾斜井戸、水平井戸、人為的に曲げられた井戸などをあげることができます。

図１は非常に一般的なタイプの井戸を表していますが、多くの異なるタイプの井戸は「マンスイの原理」の適用によって決定される時間ベースの洗浄を必要とします。

「マンスイの原理」は、井戸スクリーン10、フィルターパック11および周囲の地層13の空隙に著しい目詰まりが生じるまで、揚水井戸の比湧出量（揚水量／水位降下量）の損失が、そして、井戸の残りの空隙において層流から乱流への移行が起こらないという認識をもって確立されました。どの井戸でも、比湧出量の損失は、正確な瞬時に発生します。

時間ベースの洗浄の「マンスイの原理」は、空隙の目詰まりの正確な瞬間の検出に基づくものではありません。「マンスイの原理」では、堆積した目詰まり物質が柔らかくて除去が容易である時に、井戸内の10、11、13、14の部分を時間ベースで洗浄するとしています。洗浄作業の手順は、井戸内に揚水装置あるいは注入装置を設置して行われ、剥離した閉塞物質を汲み上げるためにポンプを利用し、このようにして井戸を洗浄するのに必要な装置を最小限にしています。井戸の揚水が開始されると、井戸は過剰な開口空間を持ち、そして、比湧出量の損失が始まる瞬時は、大量の閉塞物質が空隙に堆積し始めた後で、閉塞堆積物が鉱物化し硬化し、その除去を困難にします。過剰な開口空間は、井戸の10の深度に存在し、周辺地層13にも及ぶので、過剰な開口空間の多くは目詰まりすることはあっても比湧出量の損失をもたらすものではありません。

岩盤内の裸孔井戸を含むいかなるタイプの井戸も、特許請求の範囲に記載された発明で洗浄されます。水井戸はフランジ2または井戸ケーシング14の内側に配置されたパッカーで密封されます。二酸化炭素または選択された化学薬品は、井戸内の揚水装置16、17と共に注入管1、3を通して井戸内に導入されます。

もし化学薬品を使用する場合は、井戸に入れることの承認を得る必要があります。様々な時間間隔で二酸化炭素が注入管1、3を通って井戸に導入され、安全な圧力で密閉された井戸2への注入エネルギーに基づいて調整され、ポート15を通して圧力計5によってモニターされます。図１の8は、非揚水時水位あるいは静水位を表しています。密閉された井戸2に二酸化炭素を注入するために、井戸ケーシング14の周囲がグラウト6とされている必要があります。

二酸化炭素の気相および液相の両者の注入時間は、最大のエネルギー分配を達成するための洗浄プロセスの技術に基づいています。大変長いスクリーンを有する井戸や裸孔井戸では、化学的エネルギーと二酸化炭素のエネルギーは、井戸全体10、14にわたって分配でき、そして、混合したエネルギーをフィルターパック11と周辺地層13に浸透させます。二酸化炭素の相変化によって放出されるエネルギーは、水井戸の井戸構造全体10、11、14に、そして周辺地層13の鉱物や生物学的な、そして帯水層からの細粒物質で目詰まりを起こしているゾーンに送り込む必要があります。

容積置換パイプあるいは吸引流制御装置7を使用することによって、二酸化炭素および／あるいは化学薬品のエネルギーを減量して使用できます。容積置換パイプあるいは吸引流制御装置7もまた、二酸化炭素のあるいは混合エネルギーを10、11、13、14の目詰まりの発生している場所に送り込みます。密閉された井戸2に、注入管1、3および分流エルボー4を通して二酸化炭素を注入すると、狭められた環状空間9内に渦12が生成されます。渦12は、混合エネルギーが分流エルボー4の注入ポイントから井戸内を上方に分配されることを可能にし、井戸全体と井戸近傍を効果的に洗浄できます。

容積置換パイプあるいは吸引流制御装置7を使用することにより、井戸全体10、11、14を洗浄するに必要なエネルギーの量を減じることができ、周辺地層13への浸透エネルギーも少なくて済みます。周辺地層13に浸透するエネルギーが小さいほど、井戸を従来の環境あるいは処理前の条件に戻すのに要する時間を短縮できます。井戸内にポンプ16を置いたままで密閉した井戸2にエネルギーを注入した後に、井戸内でのエネルギーとの接触時間を許容することによって二酸化炭素からのガスを消散させ、井戸10、11、13、14の効果的な洗浄を可能にします。

通常、翌日、ポンプ16を作動させ、井戸10、11、13、14から剥離したあるいは水に溶け込んだ目詰まり物質を洗い流します。フロースリーブまたは吸引流制御装置7は、ポンプ吸引の延長部7を通る流れを誘導することによって井戸の下部ゾーンを洗い流します。容積置換パイプあるいは吸引流制御装置7は、必要とするエネルギーの量を削減し、井戸や地層に選別されたエネルギーを送り込むだけでなく、水中ポンプの17のモーターを冷却するフロースリーブの目的にも役立ちます。

水中ポンプの17のモーターを冷却することに加えて、広範な意味でのフロースリーブは井戸10、11、14をより効果的に洗い流す目的にも役立ちます。フロースリーブ7を用いた効果的な洗い流しは、井戸をより清浄な状態にし、そしてプランクトン様バクテリアを効果的に洗い流します。

二酸化炭素が誘導する渦12は、旋回作用を井戸内に作り出し、それを最大化することもできます。この渦は、二酸化炭素によって提供されるエネルギーの配送において有益であり、そして注入装置上の指向性を持つ流れを利用して、流れ4を所望の方向に向けることができます。揚水管あるいは吸引流制御装置7を用いて、井戸の中心の空間を占有することにより、二酸化炭素の相変化によって供給されるエネルギーあるいは混合エネルギーを井戸やそれを取り囲むフィルターパックおよび帯水層の表面に集中させます。渦12は、吸引流制御装置7と井戸表面の間の環状空間を上向きに旋回し、井戸表面が洗浄されます。この渦12は、化学エネルギーと二酸化炭素との組み合わせにおいて、化学エネルギーの配送をさらに増強することに利用できます。吸引流制御装置7またはポンプ吸引と井戸／フィルターパック、井戸／帯水層境界との間の容積が小さいほど、より少ない二酸化炭素および／または化学薬品を使用することで所望の洗浄効果を達成できます。これにより、周辺の帯水層13に対する影響が少なくなり、したがって、影響を受けたゾーンで井戸を汲み上げて洗い流すための時間が少なくて済みます。

図１は、フィルターパックを持つスクリーン井戸を示しています。他のタイプのいかなる井戸でも、岩盤の裸孔井戸であっても、同一のステップを踏んで洗浄されます。水井戸はフランジ2によって、あるいは井戸ケーシング14の内側に設置されたパッカーによって密閉されます。二酸化炭素あるいは選択された化学薬品が注入管1、3を通して水井戸内に送り込まれます。化学薬品を使用する場合、井戸内に送り込むことの承認を得る必要があります。様々な時間間隔で二酸化炭素が注入管1、3を通って井戸に導入され、安全な圧力で密閉された井戸2への注入エネルギーに基づいて調整され、ポート15を通して圧力計5によってモニターされます。

図１の8は、非揚水時水位あるいは静水位を表しています。密閉された井戸2に二酸化炭素を注入するために、井戸ケーシング14の周囲がグラウト6とされている必要があります。二酸化炭素の気相および液相の両者の注入時間は、最大のエネルギー分配を達成するための洗浄プロセスの技術に基づいています。大変長いスクリーンを有する井戸や裸孔井戸では、化学的エネルギーと二酸化炭素のエネルギーは、井戸全体10、14にわたって分配でき、そして、混合したエネルギーをフィルターパック11と周辺地層13に浸透させます。二酸化炭素の相変化によって放出されるエネルギーは、水井戸の井戸構造全体10、11、14に、そして周辺地層13の鉱物や生物学的な、そして帯水層からの細粒物質で目詰まりを起こしているゾーンに送り込む必要があります。

容積置換パイプ7を使用することによって、二酸化炭素および／あるいは化学薬品のエネルギーを減量して使用できます。容積置換パイプ7もまた、二酸化炭素のあるいは混合エネルギーを10、11、13、14の目詰まりの発生している場所に送り込みます。密閉された井戸2に、注入管1、3および分流エルボー4を通して二酸化炭素を注入すると、狭められた環状空間9内に渦12が生成されます。渦12は、混合エネルギーが分流エルボー4の注入ポイントから井戸内を上方に分配されることを可能にし、井戸全体と井戸近傍を効果的に洗浄できます。

容積置換パイプ7を使用することにより、井戸全体10、11、14を洗浄するに必要なエネルギーの量を減じることができ、周辺地層13への浸透エネルギーも少なくて済みます。周辺地層13に浸透するエネルギーが小さいほど、井戸を従来の環境あるいは処理前の条件に戻すのに要する時間を短縮できます。

改良されたエネルギー分布図の要素リスト(図１):
1: エネルギー注入ポート
2: フランジを用いた井戸の密閉－パッカーも使用できる
3: 井戸深部まで二酸化炭素および／あるいは化学薬品を送り込む注入管
4: エネルギー迂回ポートあるいはエネルギー急速放出バルブ
5: 井戸内の圧力を測定する圧力ゲージ
6: グラウトによる密閉
7: 容積置換パイプと吸引流制御パイプ
8: 静水位
9: 井戸ケーシングとスクリーンあるいは裸孔井戸壁面と容積置換パイプあるいは吸引流制御パイプとの間の縮小された環状空間
10: 井戸スクリーンあるいは岩盤井戸（裸孔井戸）の壁面
11: フィルターパックあるいは天然のパック
12: 二酸化炭素の注入と方向制御バルブによって作られた渦
13: 固結したあるいは未固結の帯水層
14: 井戸ケーシング
15: 密閉した井戸に通じるポート
16: 井戸用水中ポンプあるいはラインシャフトタービンポンプ
17: 井戸に水中ポンプを設置した時の揚水用モーター
18: 揚水管

Claims (7)

1. 井戸内に揚水装置を設置した状態で二酸化炭素を用いる井戸メンテナンス方法であって、井戸及び周辺地層の水生産区間の全ての領域を含む井戸構造全体にわたって二酸化炭素の機械エネルギー、化学エネルギーおよび熱エネルギーの組み合わせからなるエネルギーを供給することと、二酸化炭素注入中の二酸化炭素の相変化を制御して坑井及び周辺地層内の攪拌のサージング効果を引き起こし、前記エネルギーを井戸の全ての領域に到達させることによって、前記井戸構造全体に前記エネルギーを分配することと、容積置換パイプ（ＶＤＰ）と井戸スクリーン又は坑井の間の環状空間において、二酸化炭素が所望角度の渦となるように注入ノズルの向きを変えることと、を含み、
   前記渦が前記エネルギーを井戸及び周辺帯水層に送り込む、井戸メンテナンス方法。
2. 前記エネルギーが利用され、二酸化炭素の相変化を利用して、前記井戸構造全体に環境的に安全な化学物質を送り込むことを含む、請求項１の井戸メンテナンス方法。
3. 二酸化炭素注入前に井戸内に容積置換パイプを設置することを更に含み、前記容積置換パイプが井戸スクリーン又は坑井よりも小さな直径を有し、井戸内の水を排出でき、前記エネルギーを前記井戸スクリーン又は岩盤井戸の亀裂に向かわせる、請求項１の井戸メンテナンス方法。
4. 周辺地層への可溶化二酸化炭素の浸透を少なくし、周囲条件又は処理前の条件に戻すためのポンプ仕上げ工の時間を短縮するように、前記エネルギーの量を選択することを含む、請求項１の井戸メンテナンス方法。
5. 帯水層の空隙率に加えて、帯水層の緩衝能力を評価することによって二酸化炭素の容積を選択することを含み、前記帯水層中の炭酸塩の量と水の総アルカリ度の評価から前記緩衝能力を決めることができる、請求項１の井戸メンテナンス方法。
6. 密閉された井戸への二酸化炭素の液体と気体の注入サイクルを切り替えながら二酸化炭素を注入することにより井戸をサージすることを含み、注入サイクルの長が、水生産区間の長、井戸処理ゾーンの水量、及び二酸化炭素の流量に基づいて計算される、請求項１の井戸メンテナンス方法。
7. 気体二酸化炭素注入サイクルを短くし、液体二酸化炭素注入サイクルの頻度を増やして水柱のサージングを引き起こすことによって、液体二酸化炭素と気体二酸化炭素との間のサイクル頻度を高めてサージング効果を最大化することを含む、請求項１の井戸メンテナンス方法。

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