自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井技術(shù)

冉德發(fā)，葉成明，李炳平，張福存，陳永良

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051)

0 引言

高鐵錳水質(zhì)地區(qū)的地下水多富含鐵、錳、鈣、鎂離子，鐵質(zhì)井管的濾水孔極易遭受電化學(xué)腐蝕，腐蝕的結(jié)果就是在濾水孔周圍集結(jié)了一層碳垢(又稱鐵細(xì)菌)。隨著腐蝕的加劇，碳垢不斷積累，最終會將濾水孔完全堵塞，致使水源井出水量明顯減小。這種碳垢牢牢地附著在井管內(nèi)壁上，且質(zhì)地非常堅(jiān)硬，用常規(guī)的洗井方法很難徹底的清除。針對這些問題，我們研究了自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井技術(shù)，可以通過旋轉(zhuǎn)的高壓水流將水井管壁上的碳垢完全沖掉。同時(shí)，高壓水流震動敲擊井壁，使井管外壁的礫料層重新排列，進(jìn)一步疏通了水路，達(dá)到增大水井出水量的目的。

1 自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井的原理與特點(diǎn)

1.1 自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井的原理

自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井技術(shù)是利用特制的噴嘴在高壓水作用下形成沖刷孔壁(管壁)的噴射流，同時(shí)噴嘴在噴射流的作用下高速旋轉(zhuǎn)，以強(qiáng)大的水馬力破壞吸附在孔壁上的泥皮、擾動管外的濾料、有效清除管壁上的銹垢，達(dá)到增加水井出水量的增產(chǎn)技術(shù)。自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井設(shè)備安裝及原理參見圖1。

1.2 自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井的特點(diǎn)

(1)利用清水沖刷清洗，不污染環(huán)境，不腐蝕設(shè)備，可除去用化學(xué)清洗難溶或不能溶的結(jié)垢;

(2)噴射速度高、噴射壓力大;

(3)噴頭由低速到高速做自動旋轉(zhuǎn);

(4)能清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對象，能在復(fù)雜環(huán)境、惡劣有害的場合進(jìn)行清洗;

(5)清洗效率高，成本較低。

2 高壓噴射裝置的組成與技術(shù)性能

由我單位研制的高壓噴射裝置，包括噴頭、噴嘴、旋轉(zhuǎn)體、連接桿、特制接頭等。其材質(zhì)為高強(qiáng)度不銹鋼，強(qiáng)度高、耐磨、抗腐蝕;絲扣聯(lián)接采用3/4NPT扣型，具有連接強(qiáng)度高，密封性好，安全可靠等特點(diǎn)。高壓噴射裝置及專用工具見圖2所示。

圖2 高壓噴射裝置及專用工具

其技術(shù)性能如下:高壓噴射裝置是自旋轉(zhuǎn)噴頭，強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)射流可覆蓋較大的區(qū)域進(jìn)行有效清洗，射流反沖力驅(qū)使頭部旋轉(zhuǎn)，根據(jù)壓力的高低，內(nèi)部離心速度控制使噴頭旋轉(zhuǎn)速度保持在10～300 r/min。噴射裝置及噴頭總成最高工作壓力可達(dá)100 MPa，自旋轉(zhuǎn)體外徑76 mm，每個(gè)噴頭安裝噴嘴6只。

3 高壓噴射裝置有關(guān)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)實(shí)際工作中已知條件、采用的設(shè)備和相關(guān)公式，對在不同的噴射流量、不同噴嘴直徑下，高壓噴射裝置噴射速度、噴射壓力等參數(shù)分別進(jìn)行了計(jì)算。

依據(jù)公式:

式中:d——噴嘴直徑，mm;p——噴射壓力，bar;q——噴射流量，L/min;n——噴嘴個(gè)數(shù);η——噴嘴效率系數(shù)，對噴槍噴嘴η=1.05～1.10，對柔性噴桿η=1.2～1.30。

對上述公式進(jìn)行變換推導(dǎo)，最后得出:qη2=d2

代入已知條件，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，通過供給噴射裝置不同的噴射流量，分別產(chǎn)生不同的噴射壓力，進(jìn)而產(chǎn)生不同的噴射速度。在噴嘴直徑0.8 mm、噴嘴個(gè)數(shù)6個(gè)時(shí)，當(dāng)流量以10 L/min為單位每增加一個(gè)數(shù)量級時(shí)，壓力幾乎成倍增加，而噴射速度以勻速逐級遞增;在噴嘴直徑2 mm、噴嘴個(gè)數(shù)6個(gè)時(shí)，當(dāng)流量以平均50 L/min增加時(shí)，噴射壓力以1.56倍遞增，噴射速度以平均1.46倍增加。

表1 高壓噴射裝置有關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過表1比較，在噴嘴數(shù)量一定時(shí)，盡量使用噴嘴直徑較小的噴頭，這樣就可降低對噴射設(shè)備的能力要求，降低設(shè)備的一次性投入，同時(shí)，還可達(dá)到較高的噴射壓力和噴射速度。

4 生產(chǎn)應(yīng)用情況

4.1 應(yīng)用領(lǐng)域

我單位研制的自旋轉(zhuǎn)高壓水射流洗井技術(shù)適用于以下方面:

(1)第四系地層鑄鐵管、無縫鋼管、卷焊管(直縫和螺旋鋼管)所成供水管井、地溫空調(diào)抽水井及回灌井;

(2)非裸孔成井的地?zé)峋偷責(zé)峄毓嗑?

(3)不適用于塑料管井、水泥管井及嚴(yán)重銹蝕的鋼質(zhì)井管管井。

4.2 應(yīng)用實(shí)例

2011～2012年，先后在河北保定某供水公司地溫空調(diào)井和吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站某地?zé)峋幚碇羞M(jìn)行了自旋轉(zhuǎn)高壓水射流洗井技術(shù)實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

河北保定某供水公司地溫空調(diào)回灌井經(jīng)過高壓噴射洗井后，達(dá)到了以下效果:(1)水井出水量增加5.2 m3/h，晝夜增加124 m3，穩(wěn)定動水位上升了0.38 m;(2)回灌時(shí)間增加，由清洗前的13 min增加到清洗后的40多分鐘。后來經(jīng)過3次回訪，回灌井基本能夠維持正常使用。在此之前，施工方曾采用拉活塞等其它方式進(jìn)行洗井，沒有取得任何效果。圖3、圖4為該地溫井高壓旋噴洗井現(xiàn)場。

2012年3～4月，應(yīng)用高壓水射流洗井技術(shù)對吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站某地?zé)峋M(jìn)行處理，水井水量采用高壓噴射處理前為0.7 m3/h，處理后，經(jīng)過采用與處理前相同的潛水泵抽水試驗(yàn)，水量達(dá)到接近2 m3/h，增加了近2倍。圖5、圖6為該地?zé)峋邏盒龂娤淳F(xiàn)場。

圖3 高壓旋噴洗井裝備

圖4 遠(yuǎn)程控制儀表

圖5 噴射設(shè)備

5 結(jié)語

圖6 地表噴射演示

應(yīng)用實(shí)踐證明，自旋轉(zhuǎn)高壓水射流洗井技術(shù)具有效率高、無污染、低強(qiáng)度和節(jié)省材料的特點(diǎn)。對水文水井、地溫空調(diào)井、地?zé)峋人伤逑催^濾管結(jié)垢效果十分理想，其效果比采用傳統(tǒng)的化學(xué)工藝和機(jī)械工藝清洗的效果要優(yōu)越很多。該洗井方法使用清水洗井而無需洗井液，是一種綠色環(huán)保工藝高效的清洗方法。

自旋轉(zhuǎn)高壓噴射洗井技術(shù)可以應(yīng)用于松散地層供水管井增水、水井使用過程中因化學(xué)、電化學(xué)和細(xì)菌作用使濾水管腐蝕結(jié)垢、濾料膠結(jié)而造成水井出水量減小甚至不出水的水井增水與清洗，為今后更廣泛應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支撐。但同時(shí)也還存在一些問題，如管路絲扣聯(lián)接處密封不好，造成噴射時(shí)流體泄漏，壓力降低，影響噴射效果;另外，該方法對橋式濾水管不太適合，其不能直接沖刷過濾孔眼，也不能對過濾管外邊的濾料進(jìn)行擾動并重新排列。需要今后不斷研究和完善。

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