洗井增水处理技术探讨

□任　方（商丘市农水技术和水土保持监测指导站）



洗井增水处理技术探讨

□任方（商丘市农水技术和水土保持监测指导站）

摘要：洗井增水处理技术是提高成井率、增加出水量的重要措施，是成井工艺的进一步深化过程。洗井的目的是通过物理与化学作用，增加井眼周围含水层的渗透性，使含水层中的水能畅通地流入井中。对于基岩井而言，可以彻底清除含水层中的岩粉和堵塞物，疏通岩石裂隙溶隙，有效扩大进水通道；对于松散层井，可以清除含水层中的堵塞物泥皮，恢复含水层的渗透性和孔隙率，从而有效增加出水量。

关键词：洗井；增水；处理技术

0引言

洗井增水处理技术是提高成井率、增加出水量的重要措施，是成井工艺的进一步深化过程。洗井的目的是通过物理与化学作用，增加井眼周围含水层的渗透性，使含水层中的水能畅通地流入井中。对于基岩井而言，可以彻底清除含水层中的岩粉和堵塞物，疏通岩石裂隙溶隙，有效扩大进水通道；对于松散层井，可以清除含水层中的堵塞物泥皮，恢复含水层的渗透性和孔隙率，从而有效增加出水量。

洗井增水的方法较多，但最常见的洗井方法有盐酸洗井、多磷酸盐洗井、二氧化碳洗井、物理化学联合洗井以及爆破洗井等方法，这些洗井方法都各有自己的特点和适应性，详见表1。

表1　常用洗井增水方法特点对比表

洗井增水方法的选择正确与否，直接影响着管井涌水量的大小和寿命。在选择洗井方法时，应充分考虑岩石类型、井孔深度、井孔结构、施工方式、岩芯状况、冲洗液类型以及钻进过程冲洗液消耗等因素。根据多年洗井增水效果分析，以及大量的生产实践总结，较为实用的洗井增水方法主要有二种，一是石灰岩地层的盐酸洗井，二是松散层中的多磷酸盐洗井，其它方法可根据实际条件合理选用。

1石灰岩地层盐酸洗井增水

1.1盐酸的特性

盐酸是一种强酸，具有酸类物质的一切通性，可与多种物质发生化学反应。在石灰岩地层，盐酸可与CaCO3、MgCO3发生化学反应，分解成CaCl2、MgCl2等易溶于水的物质，增水效果非常明显，应用较为广泛；在松散层管井中，盐酸可与过滤器的Ca、Mg氧化物进行化学反应，疏通管井过滤器，增加管井出水量。

盐酸是化工行业的一种重要原料，来源比较容易，是各地区化工厂、化肥厂及塑料制品厂的主要产品或副产品，价格低廉。

1.2石灰岩的分布与特点

石灰岩是地表出露最为广泛的碳酸盐岩地层，约占整个陆地总面积的15%。我国石灰岩出露面积有91万km2，分布面积则达340万km2。山东仅鲁中南地区寒武、奥陶系碳酸盐地层出露面积就达1.70万km2，另有大面积为第四系土层覆盖。由于岩溶作用的影响，石灰岩地区的地表径流多被转入地下，因此在该类地区地表水缺乏，而地下水则相对富有。但由于受地质构造等因素的影响，基岩裂隙、岩溶的分布又很不均匀，有时出水量较大，有时出水量又较少，甚至成为干眼。在这种情况下，采用盐酸进行洗井处理，将是增加管井出水量的最为有效手段。

1.3石灰岩地层盐酸洗井的基本原理

盐酸与石灰岩类岩石进行化学反应，属于强酸与弱碱瀚进行的反应，其化学反应的方程式如下。

在石灰岩中：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+C02↑

100+72=110+18+44

在白云质灰岩中：MgCO3+2HCI=MgCl2+H2O+C02↑

84+72=94+18+44

上述方程式表明，每溶解l00g石灰岩需用72gHCl（即360 g 的20%盐酸），并产生44 g的CO2和ll0 g的CaCl2；每溶解l00 g的白云质灰岩则需用85.70 g的HCl（即428.60 g的20%盐酸），并产生111.90 g的MgCl2和52.38 g的CO2。因此，溶解同量的CaCO3和MgCO3两种岩石，所需的盐酸量是不同的，相比较而言，含MgCO3（白云质灰岩）类的岩石耗酸量更大。

从盐酸的化学性质可看出，当盐酸注到井内后，便与碳酸钙进行反应，生成氯化钙、水及二氧化碳。一方面，氯化钙易溶解于水中，使含水层处的石灰岩溶蚀、裂隙进一步扩大，水的流动更为畅通；另一方面，反应中还生成大量的二氧化碳，这些气体在井内水柱压力作用下又不断地溶解于水，当溶解量达到一定值时，导致井内的水体急剧膨胀，产生一定的气体压力，从而形成“沸腾”状态。这种作用又可迫使盐酸沿着含水层的溶孔、裂隙向深处侵入，使盐酸的作用范围进一步扩大。同时，高压作用还迫使水体沿井身向上运动，带着反应物及其它钙质胶结物排出井外，并在一定条件下形成“井喷”现象。

采用盐酸处理井孔，可使深入含水层中的溶隙、裂隙扩充，这些又裂隙可以把那些巨大的含水构造或距管井较近但尚没有被凿穿的导水裂隙与井眼连通起来，沟通了水力联系，致使管井的出水量显著加大。

1.4盐酸与石灰岩化学反应过程

为了解盐酸与石灰岩的化学反应速度，确定盐酸与各类灰岩进行化学反应时的最适宜酸夜浓度，下面以6种石灰岩为例说明。

1.4.1反应环境与方法

1.4.1.1试验条件

试验在常温常压下的室内进行，灰岩试块选用3 cm× 3 cm×l cm的立方体。

1.4.1.2试验方法

配制盐酸溶液的浓度分别为6%、8%、10%、12%、14%、16%、20%、24%、28%、31%，溶液体积为l00 ml。对同一种浓度的盐酸将不同的6种石灰岩试块放入酸溶液中，化学反应作用时间从开始至不产生气泡为止。

1.4.2盐酸的浓度对化学反应速度的影响

根据上述的试验条件与试验方法，选择鲁中南山区的中奥陶灰岩、下奥陶灰岩、风山组灰岩、张夏组灰岩及馒头组灰岩进行了试验，其试验结果见表2。

根据表中实测数据作出不同灰岩单位时间内的溶解量随酸液浓度变化关系曲线，如见图1所示。由图可知，除下奥陶灰岩的变化曲线外，其它五条曲线反映的石灰岩单位溶解量随酸液浓度变化规律基本一致，即酸液浓度在16%以内，反应速度随浓度的增加而加快。当酸液浓度从14%增至16%时，灰岩与盐酸溶液反应最为剧烈。当酸液浓度超过16%时，其化学反应速度反有所降低。上述分析表明，盐酸与中奥陶灰岩、风山组灰岩、张夏组灰岩及馒头组灰岩等6种灰岩进行化学反应的适宜浓度为14%～16%。由于下奥陶灰岩主要成份为MgCO3，与其它五种灰岩的主要成份CaCO3有所区别，从而导致了曲线变化规律不一样。从图中曲线变化规律可知，当酸液浓度超过10%达到12%时，其单位时间溶解量最大。当浓度超过14%时，单位溶解量虽然仍在增加，但增加幅度有所减少，而下奥陶灰岩与盐酸溶液反应的适宜浓度为10%～14%。

表2　盐酸与石灰岩化学反应作用时间及溶解量对比表

从图1中还可看出，当盐酸溶液浓度为14%～16%时，石灰岩与盐醵的化学反应作用时间为4.60-6.33 h；而白云质灰岩则为5.18-7.08 h，比石灰岩稍长一点。因此可以认为，当所洗井的含水层为石灰岩时，盐酸的作剧时间选为4-6 h；而当所洗井的含水层为白云质灰岩时，化学反应作用时间宜选用5-7 h。

图1　石灰岩溶解量随酸液浓度变化关系图

1.5盐酸洗井增水技术的应用

1.5.1注酸位置的确定

注酸位置是否合理、准确，直接影响到洗井增水的效果，是影响洗井成功与否的关键因素。确定注酸位置的方法，一是依据打井岩芯裂隙发育情况进行初步判断，再进一步根据测井成果确定出注酸井段。当注酸段为多个时，应将注酸口放在最下面的注酸段底板处。虽然酸液的比重比水的比重大，但上部水体为自由面，所以盐酸依然自下而上运动。

大量的生产实践表明，无论采用何种方法，井内的岩石裂隙发育情况一般难于准确掌握，较为有效的注酸办法，是将地下水位以下的石灰岩层段全部注满酸液，采用全井段注酸洗井，增水效果更为可靠。

1.5.2盐酸洗井主要设备

在石灰岩地层进行酸化洗井时，主要设备为施工钻机，以及酸罐、输酸管（塑料管及配件）、玻璃浮子流量计、球阀等器械。

在具体施工时，应将酸罐放在风向的下游方向。可将钻杆作为井下输酸管，使用塑料管连接酸罐与钻杆，并在井口处安装塑料管三通，连接到导气塑料管，导气塑料管应高于井口一定高度，以防止酸液从导气管溢出。

1.5.3注酸浓度和数量的确定

考虑到酸液注入到井内后有较大的稀释作用，注酸浓度不应过低，一般应在30%左右，这样才能保证实际参加反应的酸液浓度较为适宜。

盐酸用量可根据井径的大小以及洗井段的长短进行计算，如果采用全井段注酸的办法洗井，可按地下水位以下井孔内的容积或整个含水层段的容积进行计算，就可确定出实际注酸量。

盐酸被注入到井内，除沿井轴方向纵向扩散外，还会沿基裂隙、溶隙进行扩散，特别是当含水层裂隙较多，溶隙较大时，产生化学反应的接触面积更大，需要的用酸量也相应地增大。由于含水层裂隙分布不均匀，多呈树枝状分布，因此，考虑到盐酸横向扩散对注酸量的影响，可引入系数α对常规的计算方法进行修正。根据有关野外试验资料，修正系数α的取值范围可选用1.00～1.70，该系数乘以计算出的注酸量，即为实际洗井时的注酸量。

1.5.4注酸速度与静置时间

注酸速度应适宜，过快易造成井喷，过慢则会降低反应强度，影响洗井增水效果。根据大量生产实践经验，一般以2～3 t/h的速度注酸较好。

注酸后的洗井抽水时间，不应短于酸液的反应时间，一般静置时间24 h为宜。

2松散地层多磷酸盐洗井增水

2.1多磷酸盐的物理化学性质

目前常用于洗井的多磷酸盐有六偏磷酸钠［（NaPO3）6］、焦磷酸钠（Na4P2O3）、三聚磷酸钠（Na5P3O10）及磷酸三钠（Na3PO4）等化学原料。其有关性能见表3。

2.2多磷酸盐洗井的基本原理

多磷酸盐洗井的基本原理，是将多磷酸盐溶液注入井内后，利用多磷酸盐的分解、络合、离子交换吸附、对泥浆的稳定及疏导等作用，使粘土颗粒发生物化反应，形成高度分散、悬浮状态的胶体溶液。多磷酸盐是一种络合物，它络合泥浆中的钙镁离子，促使粘土分散，又可以吸附于粘土晶体上，拆散泥浆中的网状结构，使井壁松软膨胀，致使泥皮脱落、疏通含水层，从而达到洗井的目的。

表3　多磷酸盐物理化学性能表

2.3多磷酸盐洗井工艺

2.3.1多磷酸盐用量的计算

为了节省洗井中化学药品的用量和提高洗井效果，一般只向机井的滤水管段注入多磷酸盐洗井剂，反应时间一般控制在8-12 h之间。多磷酸盐用量可按下式计算：2

式中：Wd—多磷酸盐用量（Kg）；d—洗井段范围内钻孔直径（m）；P—洗井段设计的多磷酸盐溶液浓度，一般为5%～10%；H—洗井段长度（m）。

2.3.2多磷酸盐洗井的主要设备与方法

采用多磷酸盐进行洗井，其主要设备与冼井方法，基本与盐酸洗井工艺大同小异，在施工时，可采用钻机设备，使用钻杆将酸液下入预定位置即可。在使用六偏磷酸钠及磷酸钠时，由于其在水中溶解慢，为提高其溶解速度，需在配液时加阴离子助溶及升温。一般可选用29%～31%浓度的盐酸，其用量为多磷酸盐的16%～20%即可。

2.4多磷酸盐洗井的优点

2.4.1增加单井出水量

试验研究表明，使用多磷酸盐洗井，比常规方法（空压机一活塞洗井），其出水量一般能增加10%～19%。

2.4.2缩短辅助时间，提高效率

使用焦磷酸钠洗井较用一般的机械方法洗井，其洗井时间一般可降低40%。

2.4.3节省清水用量

井内注药，待静置反应后，可直接向井内送风排浆，减少了清水用量，这对在干旱缺水地区施工时提高洗井质量、加快成井速度，效果更为显著。

2.4.4减少对脆性井管的损坏

对于脆性易损的混凝土、塑料、陶瓷等井管，井内注药以后可直接送风排浆，不用拉活塞洗井，相对减少了井管损坏的可能性。

（责任编辑：刘青）

文献标识码：中途分类号：TE934.1A

文章编号：1673-8853（2016）05-0117-03

收稿日期：2016-03-03