關于水文地質(zhì)水井鉆探工程中新型自動解垢過濾器的分析研究

湯鳳林， 沈中華， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中國地質(zhì)大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174)

0 引言

水文地質(zhì)鉆探、水井鉆探是鉆探工程的一個分支，是鉆探工程的重要組成部分。近年來，隨著水資源需求量的增加和生態(tài)環(huán)境保護要求的提高，服務范圍更為廣泛，水文地質(zhì)、水井鉆探工程顯得更為重要、更為突出。

在水文地質(zhì)、水井鉆探工程的成井工藝中，要求將含水層(目的層)中的水能夠經(jīng)過疏通自由地進入井內(nèi)；要求封閉或隔離非目的層，以防止地下含水層的水互相串通或污染含水層。疏通目的層，通常是對準目的層安裝過濾器，通常稱之為濾水管。成井工藝中，很多工藝問題都是圍繞過濾器展開的。

在水文地質(zhì)成井和使用過程中，常見過濾器腐蝕結(jié)垢，直接影響井眼進水量和抽水效果。過濾器腐蝕是指安裝在井內(nèi)的過濾器，由于化學作用而使過濾器管材遭受蝕耗而破壞；結(jié)垢是指管材表面上沉淀一層膠結(jié)層，具有一定的強度，甚至在其周圍形成膠結(jié)帶。多數(shù)情況下，腐蝕和膠結(jié)同時發(fā)生，常常會直接導致過濾器乃至水井的報廢。最新統(tǒng)計表明，金屬腐蝕結(jié)垢對國民經(jīng)濟造成的損失是很大的，美國國際標準局(NBS)調(diào)查表明，美國一年因金屬腐蝕而造成的損失高達700億美元，還不包括地下金屬井管的腐蝕所造成的損失。如果把后者考慮在內(nèi)，則其造成的損失將會更大[1-11]。

1 對過濾器的基本要求

(1)具有最大的進水面積，以減少地下水經(jīng)過時遇到的阻力。過濾器阻力越小，地下水在此流速變化越小，發(fā)生結(jié)垢的可能性越小，因此可以延長過濾器的使用年限。

(2)具有足夠大的機械強度，可以滿足安裝過濾管時的負荷和抵抗地層的壓力。

(3)具有最大限度的抗腐蝕能力和不因過濾器被腐蝕而影響對水質(zhì)的衛(wèi)生要求。

(4)具有良好的濾水、擋砂能力，過濾孔眼不易被地層中的物質(zhì)堵塞。

(5)安裝方便，成本低廉，取材容易，等等。

2 常用過濾器的類型

過濾器的類型很多,不同地層使用不同的過濾器。主要類型有[2]：

(1)骨架式過濾器，是在各種材料的井管上用鉆孔、模壓、焊割、銑切等方法，開有圓孔或條縫作為進水通路。這種過濾器的類型通常有圓孔式過濾器(見圖1)、條縫式過濾器(見圖2)、筋條式過濾器(見圖3)。

圖1 圓孔式過濾器

(2)纏絲過濾器(見圖4)，是在骨架過濾器(管)外纏以金屬絲而成。金屬絲的斷面可以是梯形、圓形或三角形，以梯形為好。纏絲時，梯形上底向內(nèi)，下底向外，使濾水孔斷面成V形。

(3)包網(wǎng)過濾器(見圖5)，與纏絲過濾器相同，只是在外表不是纏絲，而是包以濾網(wǎng)的過濾器。

(4)礫石過濾器(見圖6)，選取合適的礫石并充填于骨架管和含水層之間，形成一個人工礫石過濾層，以增大水井的過濾半徑。

圖2 條縫式過濾器

圖3 筋條式過濾器

圖4 纏絲過濾器

(5)貼礫過濾器(見圖7)，在骨架外將礫料、粘合劑、石膏等物質(zhì)，按一定比例在模具里加壓、固化而成。

(6)玻璃鋼過濾器(見圖8)，是采用熱固性樹脂浸漬玻璃纖維、機械繞纏一次成型的過濾器，濾水孔眼是玻璃纖維架橋式結(jié)構(gòu)。

(7)塑料過濾器(見圖9)，具有成本低、成型快和適應性好等特點。

圖5 包網(wǎng)式過濾器

圖8 玻璃鋼過濾器

在農(nóng)田灌溉水井中，還使用石棉水泥過濾器、水泥礫石過濾器、爐渣水泥過濾器等，其主要特點是制造容易、成本低廉，但是質(zhì)量大。

圖9 塑料過濾器

3 過濾器使用中遇到的問題

過濾器使用中遇到的主要問題是腐蝕和結(jié)垢。腐蝕是指安裝在井內(nèi)的管材，在外加因素的作用下，主要是由于化學作用而使管材遭腐蝕而破壞。結(jié)垢是指在管材表面沉淀一個膠結(jié)層，這個膠結(jié)層具有一定強度，甚至在其周圍形成一個膠結(jié)帶。多數(shù)情況下，腐蝕和結(jié)垢同時發(fā)生。這是一個錯綜復雜的過程，與地下水含有的離子有關，也與管材的材質(zhì)和加工結(jié)構(gòu)有關。

化學腐蝕主要是由于管材在地下水中發(fā)生了離子交換作用。與管材發(fā)生化學作用的物質(zhì)主要有：氧、二氧化碳、硫化氫、鹽酸、氯和硫酸等，其中氧最活躍，可以形成2Fe2O3、2CaO、2MgO、2Al2O3等。這些生成物與水中的[OH]-1進一步反應生成復雜的[Fe(OH)]K，可以形成膠結(jié)沉淀物。

地下水常常含有二氧化碳和重碳酸鹽，高壓時溶于水中。抽水時，濾水管附近形成低壓區(qū)，失去原來的壓力平衡，二氧化碳以氣態(tài)逸出，使水中的碳酸氫鈣轉(zhuǎn)化為碳酸鈣，以沉積方式堆積在濾水管的周圍，影響過濾層的孔隙，使進水面積減小，壓頭損失增高，壓力差更大，會使過濾層很快報廢。

硫化氫對金屬的腐蝕作用，稱為氫脆，可以引起管材金屬脆裂。

4 自動解垢過濾器[12-15]

這是俄羅斯南方國立技術(shù)大學發(fā)明的一種新型裝有磁鐵的過濾器，取得了俄羅斯發(fā)明專利。

4.1 過濾器的組成

該過濾器的組成(見圖10)包括有：由非磁材料聚乙烯或丙烯制成并帶有孔眼的骨架管、過濾水套、支撐部分、繞絲、支柱型墊圈和接頭。在帶有孔眼的骨架管上，裝有環(huán)狀永久磁鐵，是過濾器的對中件，永久磁鐵之間有一定距離。過濾器水套上的繞絲有內(nèi)層和外層，由相同剖面、相同非磁材料卡普綸(聚己丙酰胺纖維)繩制成。繞絲內(nèi)層每圈之間有一定距離，繞絲外圈每圈之間比較緊密。接頭分為上接頭和下接頭。過濾器配有沉淀室，沉淀室與下接頭和位于過濾器下部的沖洗閥連接。環(huán)狀永久磁鐵之間的距離，根據(jù)過濾器的直徑、磁場的矯頑力和強度確定。

1-骨架管;2-過濾水套;3-支撐部分;4-繞絲;5-支柱型墊圈;6-接頭;7-環(huán)狀永久磁鐵;8-繞絲內(nèi)層；9-繞絲外層；10-上接頭；11-下接頭；12-沉淀室；13-沖洗閥

繞線的內(nèi)層各圈剖面的形狀為梯形或波浪形，小頭繞在帶有孔眼的骨架管上。繞線的外層各圈剖面的形狀為波浪形或呈人造布網(wǎng)狀剖面。

墊圈和繞線的內(nèi)層用來增加過濾器的多孔性。繞線的外層用來過濾通過過濾器的水和阻砂。

4.2 過濾器工作原理

水是由一個帶負電的氧離子和兩個帶正電的氫離子組成的。由于氫和氧分布不對稱，所以在接近氧原子的一端形成負極，接近氫原子的一端形成正極，成為偶極分子。巖土與水接觸時，組成結(jié)晶格架的鹽類離子，被水分子帶相反電荷的一端所吸引。當水分子對離子的引力足以克服結(jié)晶格架中離子間的引力時，離子脫離晶架，被水分子包圍，溶入水中。

實際上，當?shù)V物鹽類與水溶液接觸時，同時發(fā)生兩種方向相反的作用：溶解作用和結(jié)晶作用。前者使離子由結(jié)晶格架轉(zhuǎn)入水中，后者使離子由溶液中固著于晶體格架上。隨著溶液中鹽類離子的增加，結(jié)晶作用加強，溶解作用減弱。當同一時間內(nèi)，溶解和結(jié)晶的鹽量相等時，溶液達到飽和。不同鹽類，結(jié)晶格架中離子間的吸引力不同，因而具有不同的溶解度。

見圖10，當水通過繞絲的水套時，被永久磁鐵磁化。當磁力線穿過水時，磁場對水的偶極施加定向磁化作用，硬鹽的陽離子不是析出在過濾器的表面上，而是析出在通過過濾器的水中。利用這種新型過濾器，依靠永久磁鐵產(chǎn)生的磁場作用，使結(jié)垢沉積物析出于水中，而不是過濾器表面上，起到了自動解垢的作用，過濾器中使用天然磁鐵是個創(chuàng)新。

4.3 磁鐵性能分析及其選擇[13]

研制出了磁化系統(tǒng)，見圖11。

1-永久磁鐵(ПМ)；2-聚氯化乙烯管；3-干式酸劑溶液；a-永久磁鐵高度；b-永久磁鐵厚度；h-兩個永久磁鐵間的距離

對磁鐵進行了模擬。永久磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)對現(xiàn)有類型磁鐵的分析和初步模擬結(jié)果，選用了帶有4個磁極的永久磁鐵結(jié)構(gòu)作為磁化系統(tǒng)的基礎(見圖12)。

在選用位于上下安排的兩個磁鐵的磁極布置時，一定要考慮保證它們的相互作用，以便不僅保證在永久磁鐵內(nèi)徑內(nèi)的溶液內(nèi)產(chǎn)生磁場，還要保證在沒有磁鐵的濾管部分內(nèi)產(chǎn)生磁場(見圖13)。圖內(nèi)的虛線表示的是永久磁鐵兩個磁極間的閉合磁流線。

對磁鐵材料進行了模擬。在模擬永久磁鐵材料時，考慮了2種方案：

圖12 永久磁鐵中磁極的布置

圖13 磁鐵N、S磁極的相對布置圖

第一種方案是使用NdFeB(釹-鐵-硼)磁鐵，這是一種稀土磁鐵，其特點是磁性強和價格低。其缺點是溫度穩(wěn)定性較低，非常容易腐蝕。為了克服此缺點，在NdFeB(釹-鐵-硼)磁鐵上涂覆了鋅、鎳、銅或這些材料的組合。

第二種方案是使用SmCo(釤-鈷)合金，這種合金具有非常好的磁性性能，即具有很高的剩磁感應性能，很大的嬌頑力和很高的溫度穩(wěn)定性，在腐蝕過程中還有很好的穩(wěn)定性。其缺點是價格高、脆性大。

4.4 磁場強度及其與兩個電極間距離的關系

對磁場強度與上下兩個磁鐵距離的關系，進行了計算研究，見圖14和圖15[13]。

1-計算范圍的邊界；2-水；3-聚乙烯管；4-永久磁鐵

磁場強度在穿過磁化系統(tǒng)的YZ平面上的分布用不同顏色表示。兩個磁鐵之間的距離h=150 mm，磁場在水中兩個磁鐵間的的強度H≥89.3 kA/m。

1-計算范圍的邊界；2-水；3-聚乙烯管；4-永久磁鐵

磁場強度在穿過磁化系統(tǒng)的YZ平面上的分布用不同顏色表示。兩個磁鐵之間的距離h=50 mm，磁場在水中兩個磁鐵間的的強度H≥196 kA/m。

磁場強度Hn計算結(jié)果見表1。

表1 磁場強度Hn計算結(jié)果[13]

圖16是斷面為a=70 mm和b=70 mm的NiFeB35合金永久磁鐵磁場強度Hn和兩個磁鐵間距h的關系Hn(h)曲線圖。

圖16 磁場強度與磁鐵間距的關系圖

4.5 實驗研究得到的結(jié)果[12-15]

(1)利用安裝在過濾器骨架上的永久磁鐵，可以使進入水文地質(zhì)鉆孔中的水被磁化，方法簡單、有效。

(2)對水進行磁化處理，應該在水被極性變化的磁場磁力線垂直作用下流動時進行。

(3)磁化處理的效果取決于水的性質(zhì)、水的濃度、硬度、溫度、pH值，也與磁化處理的條件有關，即與兩個磁鐵間的磁場強度、水流穿過的磁極對數(shù)、水流速度有關。其中一個參數(shù)的變化，會導致其它參數(shù)最優(yōu)值的變化。

(4)為了保證水中磁場強度H最大，永久磁鐵的尺寸的規(guī)格應該最大，即a=70 mm、b=70 mm，兩個永久磁鐵間的距離h應該最小。

(5)可以使用SmCo28合金或帶有防腐涂敷的NiFeB35合金，作為制作永久磁鐵的材料。

(6)為了保證位于非磁材料(聚乙烯)制成的管內(nèi)的水中，兩個NiFeB35合金永久磁鐵之間的磁場強度H不低于H1=87.5 kA/m，兩個磁鐵間的距離h不應超過h1=150 mm。

(7)為了保證在兩個NiFeB35合金永久磁鐵之間的磁場強度H不低于H2=175 kA/m，兩個磁鐵間的距離h不應超過h2=60 mm。

(8)為了保證在兩個SmCo28合金永久磁鐵之間的磁場強度H不低于H1=87.5 kA/m，兩個磁鐵間的距離h不應超過h3=130 mm。

(9)為了保證在兩個SmCo28合金永久磁鐵之間的磁場強度H不低于H2=175 kA/m，兩個磁鐵間的距離不應超過h4=50 mm。

5 討論和建議

根據(jù)上述資料，可以做如下討論和建議。

(1)隨著水資源需求量的增加和生態(tài)環(huán)境保護要求的提高，水文地質(zhì)鉆探和水井鉆探工程顯得非常重要。在其成井和抽水過程中，必須使用不同類型的過濾器(濾水管)，所以過濾器成了上述鉆井工程中的重要器具。

(2)過濾器使用中，常常見到的問題是管材腐蝕結(jié)垢，直接影響井眼進水量和抽水效果，甚至導致過濾器和井眼報廢。所以過濾器的類型、性能和使用效果是非常重要的技術(shù)指標，應該引起我們的注意。

(3)俄羅斯南方國立技術(shù)大學Третьяк А.Я.教授等多年從事水文地質(zhì)和水井鉆探方面的工作，積累很多經(jīng)驗，發(fā)明的自動解垢過濾器，使用永久磁鐵，對水產(chǎn)生磁化作用，解決了過濾器腐蝕結(jié)垢問題。這是一項專利技術(shù)，取得了俄羅斯發(fā)明專利，專利號為2478775[16-20]。

(4)這項技術(shù)提供了建議使用磁鐵的型號、安置的位置，給出了磁化系統(tǒng)圖，指出了磁場強度與上下兩個磁鐵距離的關系，為我們試驗研究自動解垢過濾器創(chuàng)造了有利條件。

(5)上述自動解垢過濾器，雖然目前尚無形成產(chǎn)品推廣使用，但是利用對水的磁化作用，來解決過濾器腐蝕和結(jié)垢問題，在思路上是個創(chuàng)新，具有一定的理論意義和實用價值。