地下水源熱泵水井泵砂與堵塞原因分析

王永軍，段新勝，劉朝陽(yáng)

(1.中石化新星湖北新能源開(kāi)發(fā)有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，湖北 武漢 430000)

0 引言

地下水源熱泵系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是，如果抽水井和回灌井之間不發(fā)生熱短路(或稱為熱貫通)，則抽取的地下水溫度接近于土壤初始平均溫度(該溫度一般比項(xiàng)目所在地年平均氣溫高1～4 ℃[1])，夏天明顯低于環(huán)境空氣溫度，冬天明顯高于環(huán)境空氣溫度，是理想的冷熱源，地下水源熱泵系統(tǒng)的能效比(制冷量或制熱量與所耗電能之比)一般可達(dá)4.5～6.0[2]，高于地埋管地源熱泵系統(tǒng)，而且初投資還可節(jié)省29%左右[3]，因此在地下水資源較豐富的地區(qū)，往往首選地下水源熱泵系統(tǒng)。

但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，地下水源熱泵系統(tǒng)常出現(xiàn)如下主要問(wèn)題：(1)水井出水量逐年減小(即水井降深逐年增大)且含砂量超標(biāo)；(2)回灌難，普遍存在將回水管與城市地下水排污管道相連，既浪費(fèi)地下水資源，又會(huì)引起地下水位下降，同時(shí)污染地表水等。為了進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有較大節(jié)能潛力的地下水源熱泵技術(shù)，需要對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

1 水井泵砂與堵塞原因分析

綜合已有研究成果，水井泵砂與堵塞的主要原因可歸納如下。

(1)水文地質(zhì)勘察時(shí)，對(duì)含水層位置和厚度確定不準(zhǔn)，造成過(guò)濾管長(zhǎng)度偏差或相對(duì)于地層層位豎向安裝位置錯(cuò)位[4]，產(chǎn)生水井泵砂事故。

(2)過(guò)濾管類型及濾料的選用與含水層不匹配。如果過(guò)濾管和濾料通道尺寸太大，則不能有效地過(guò)濾地下水造成泵砂事故；反之如果過(guò)濾管和濾料通道尺寸太小，則會(huì)造成過(guò)濾管堵塞，水井的井損過(guò)大[5]，增大水泵功耗。

(3)如果抽水井的井損不斷增大，即抽水井降深不斷增大，當(dāng)深井潛水泵吸入口在井內(nèi)水位以下淹沒(méi)深度減小到一定程度后，則抽取地下水時(shí)就可能吸入空氣，換熱后將含有空氣的水通過(guò)回灌井回灌到含水層；如果在回灌井的井口采用傾注式回灌，或者回灌管路中出現(xiàn)負(fù)壓吸入空氣，也會(huì)造成將帶有空氣的水回灌到地下含水層?？諝膺M(jìn)入地下含水層可能造成3個(gè)問(wèn)題：一是氧化地下水中含量較高的鐵、錳元素生成不溶性、粘性氫氧化物沉淀，造成回灌井堵塞；二是促進(jìn)細(xì)菌的滋生和繁衍，造成回灌井堵塞；三是產(chǎn)生氣泡堵塞含水層，造成回灌困難[6]。

(4)抽水-換熱-回灌回路不是一個(gè)密封的回路或者回灌管口插入回灌井水位以下深度不足，造成地下水中濃度較高的二氧化碳脫氣，形成小氣泡，堵塞回灌井周圍含水層孔隙空間；同時(shí)當(dāng)二氧化碳從地下水中脫氣后，地下水的堿性增大，會(huì)造成溶解于地下水中的碳酸鹽和氫氧化物沉淀，導(dǎo)致回灌井結(jié)垢和堵塞[7]。

(5)部分用戶設(shè)備系統(tǒng)不配套(如無(wú)精濾裝置)，不能在地表進(jìn)一步過(guò)濾抽水井過(guò)濾管沒(méi)能過(guò)濾的細(xì)小顆粒，造成回灌井堵塞[8]。

(6)沒(méi)有使用鉆速快、泥漿密度小、對(duì)含水層影響小的反循環(huán)鉆進(jìn)方法，沒(méi)有針對(duì)鉆進(jìn)方法、井管和濾料類型及地層條件選擇洗井方法[9-11]。

(7)抽水井與回灌井沒(méi)有分別設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]和我國(guó)的《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296-2014)[12]推薦的抽水井過(guò)濾管槽縫進(jìn)水流速最大值均為0.03 m/s，而文獻(xiàn) [3]還推薦回灌井過(guò)濾管槽縫出水流速最大值為0.015 m/s，這就意味著回灌井的設(shè)計(jì)要有別于抽水井，其過(guò)濾管直徑或長(zhǎng)度要比抽水井大。或者回灌井的數(shù)量要比抽水井多。此外，由于回灌井中水位波動(dòng)幅度較大(需回灌和回?fù)P處理)，井管在干濕交替環(huán)境下很容易腐蝕生銹。在回灌過(guò)程中銹蝕顆粒脫落可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾管或含水層堵塞，因此，回灌井的套管、過(guò)濾管甚至井口管件需要選用耐銹蝕的材料，如PVC管、環(huán)氧涂層鋼管、不銹鋼管和玻璃纖維等[7]。

本文基于中石化新星湖北新能源開(kāi)發(fā)有限公司在湖北荊州的地下水源熱泵工程項(xiàng)目，探討上述因素對(duì)地下水源熱泵抽水井的影響。對(duì)于抽水井來(lái)說(shuō)，影響因素主要是上述第(1)、(2)和(6)等因素。

2 實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

荊州市地處湖北省中南部，江漢平原腹地，長(zhǎng)江自西向東橫貫全市，流經(jīng)長(zhǎng)度483 km。年平均氣溫15.9～16.6 ℃，多數(shù)年份的年降雨量在1100～1300 mm，地表及地下水豐富[13]，有使用地下水源熱泵系統(tǒng)的有利條件。該市某項(xiàng)目采用地下水源熱泵系統(tǒng)為面積約21000 m2的辦公區(qū)供熱制冷，配備有螺桿式水源熱泵機(jī)組，夏季用戶側(cè)的供回水溫度為7～12 ℃，冬季用戶側(cè)的供回水溫度為45～40 ℃。該項(xiàng)目的地源側(cè)設(shè)計(jì)了2口抽水井和4口回灌井，鉆孔直徑600 mm，井管(含井壁管、過(guò)濾管和沉淀管)外徑為273 mm，鉆孔深度62 m。抽水井與回灌井的井身結(jié)構(gòu)相同。場(chǎng)區(qū)地下水類型有上層滯水和承壓水，上層滯水賦存于上部雜填土中，承壓水賦存于粉細(xì)砂及卵礫石夾細(xì)砂層中，取水層為承壓含水層。地層及井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

為避免該地區(qū)其他水井較普遍存在的水井泵砂問(wèn)題，在鋼質(zhì)纏絲過(guò)濾管外面包裹了雙層80目不銹鋼絲網(wǎng)(網(wǎng)眼直徑為0.2 mm)。濾料沒(méi)有按含水層顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)而是按經(jīng)驗(yàn)選定，粉細(xì)砂層中濾料粒徑3～4 mm，卵礫石夾細(xì)砂層中為3～8 mm。上部雜填土、粉質(zhì)粘土和粉土層用干粘土球止水。靜止水位(從孔口計(jì))3.10 m，粉細(xì)砂層滲透系數(shù)3～5 m/d，卵礫石夾細(xì)砂層滲透系數(shù)13～15 m/d。由于抽水井的過(guò)濾管外包了兩層80目的不銹鋼絲網(wǎng)，地下水抽到地表后又經(jīng)過(guò)進(jìn)一步過(guò)濾，抽水-除砂-換熱-回灌回路為密閉回路，回灌方式為壓力回灌，排除了空氣進(jìn)入回灌井的可能性。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)轉(zhuǎn)，回灌井仍表現(xiàn)良好，但抽水井出現(xiàn)了井損過(guò)大的問(wèn)題，在承壓含水層靜止水位仍為3.10 m的情況下，水井中的水位降深由初始的13.0 m增大到了27.0 m，增大了1倍多，影響了地下水源熱泵系統(tǒng)效率的發(fā)揮。

圖1 地層及井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geological column and well structure

2.2 成孔工藝方法選擇與分析

在卵礫石厚度達(dá)45 m的情況下鉆進(jìn)直徑為600 mm、深度為62 m的水井，若使用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，存在鉆機(jī)和泥漿池占地面積大、鉆速低、洗井困難等問(wèn)題；旋挖鉆進(jìn)設(shè)備龐大，鉆井?dāng)?shù)量較少時(shí)運(yùn)輸費(fèi)占比太大；氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)方法適合于在基巖裂隙含水層中鉆進(jìn)；人工挖孔施工適合于大直徑的淺井。故本項(xiàng)目鉆進(jìn)方法可在鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)兩種方法中選擇。由于場(chǎng)地面積有限，實(shí)際施工中選擇了設(shè)備占地面積小、用水量小、地層適應(yīng)范圍廣，目前在我國(guó)仍廣泛使用的鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)方法。

然而鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)的濃泥漿會(huì)嚴(yán)重堵塞含水層的孔隙通道，增大洗井難度，而洗井這道工序是在下放井管和填礫之后進(jìn)行的，為了防止泵砂，本工程在纏絲過(guò)濾管外包了兩層80目的不銹鋼絲網(wǎng)，洗井過(guò)程中濃泥漿中的粘土顆粒及含水層中的細(xì)小砂粒，會(huì)在不銹鋼絲網(wǎng)外積聚，逐步降低過(guò)濾管的透水性，造成井損不斷增大。

將正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)方法稱為傳統(tǒng)成井工藝，將反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)稱為新工藝，在鄭汴新區(qū)以中砂和細(xì)砂為主含水層中新工藝施工的水井單位涌水量從傳統(tǒng)工藝的8.98 m3/(h·m)提高到了26.59 m3/(h·m)，單位回灌量則從5.31 m3/(h·m)提高到了25.62 m3/(h·m)，成井速度較正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高了6倍[9]。因此，實(shí)例工程如果是使用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)方法(其特點(diǎn)是泥漿密度小，泥漿對(duì)含水層的污染小)，在鉆進(jìn)過(guò)程中由于砂石泵的抽吸作用，含水層中的部分細(xì)小砂粒在鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)被抽出，井壁周圍含水層的透水性在鉆進(jìn)過(guò)程中不但不會(huì)受損還會(huì)有所增加，則包網(wǎng)過(guò)濾管的透水性隨時(shí)間的降低就不會(huì)像鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)那么明顯。

2.3 濾料與過(guò)濾管設(shè)計(jì)問(wèn)題

設(shè)計(jì)濾料顆粒級(jí)配和過(guò)濾管槽縫寬度前，應(yīng)對(duì)含水層進(jìn)行取樣，獲得含水層樣品的顆粒級(jí)配曲線，據(jù)此再進(jìn)行濾料和過(guò)濾管槽縫寬度設(shè)計(jì)。

不同的研究者提出的濾料設(shè)計(jì)方法稍有不同，但都牽涉到含水層和濾料的顆粒級(jí)配。這些設(shè)計(jì)方法的主要原則是選擇一定的顆粒級(jí)配的濾料，只允許在洗井過(guò)程中含水層中的泥漿和粒徑較小的泥砂顆粒進(jìn)入水井后被排出。

在對(duì)濾料過(guò)濾理論作系統(tǒng)總結(jié)的基礎(chǔ)上，Houben 等人指出，當(dāng)濾料的粒徑與含水層的粒徑的比值<4時(shí)，雖然可起到過(guò)濾作用，但會(huì)降低濾料的滲透性，增大井損(地下水流經(jīng)濾料所引起的水頭損失)；當(dāng)濾料的粒徑與含水層的粒徑的比值超過(guò)6時(shí)，含水層顆粒可以進(jìn)入濾料層(又稱填礫層)中并堵塞濾料的孔隙空間，也會(huì)降低濾料的滲透性；如果比值>12，含水層顆粒將會(huì)穿過(guò)濾料，濾料不能發(fā)揮其過(guò)濾功能[14]。因此，4～6倍含水層顆粒粒徑的濾料既可避免泵砂又可避免不必要地降低濾料的滲透性。

如果用D10、D40、D50、D85分別表示濾料篩分樣的顆粒組成中，過(guò)篩質(zhì)量累計(jì)為10%、40%、50%和85%時(shí)的最大顆粒直徑，用d10、d50、d60分別表示含水層篩分樣的顆粒組成中，過(guò)篩質(zhì)量累計(jì)為10%、50%和60%時(shí)的最大顆粒直徑，Driscoll建議過(guò)濾管的槽縫寬度為濾料的D10[15]，Bakiewicz等人認(rèn)為，過(guò)濾管的槽縫寬度應(yīng)為濾料的D85的1/2，其近似值為D40[16]。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，Misstear B.等建議濾料的顆粒級(jí)配應(yīng)類似于被過(guò)濾的含水層，并且濾料平均粒徑D50應(yīng)為含水層平均粒徑d50的4～6倍，過(guò)濾管槽縫寬度δ應(yīng)在濾料的D10到D40之間[7]，即：

D50=(4～6)d50

(1)

δ=D10～D40

(2)

我國(guó)的《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296-2014)則推薦過(guò)濾管的槽縫寬度為填礫的D10，而填礫的平均粒徑為含水層顆粒平均粒徑的6～8倍[12]，即：

D50=(6～8)d50

(3)

δ=D10

(4)

在實(shí)例項(xiàng)目的卵礫石夾細(xì)砂含水層中采取了細(xì)砂樣品，其顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2曲線1，它的平均粒徑均用d50表示(約為0.15 mm)；而圖中的曲線2、3、4分別為粒徑為細(xì)砂顆粒粒徑的4倍、6倍和8倍且顆粒級(jí)配曲線形狀與細(xì)砂相同的擬采用的濾料顆粒級(jí)配包絡(luò)線。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的建議，濾料的平均粒徑D50的范圍為圖2中曲線2的D50到曲線3的D50，即為0.50～0.75 mm；過(guò)濾管槽縫寬度為圖2中曲線2的D10到曲線3的D40，即為0.25～0.70 mm。

根據(jù)我國(guó)的《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296-2014)，濾料的平均粒徑D50的范圍為圖2中曲線3的D50到曲線4的D50，即為0.75～1.0 mm；過(guò)濾管槽縫寬度范圍為圖2中曲線3的D10到曲線4的D10，即為0.40～0.50 mm。以上結(jié)果整理在表1中。

曲線1-土樣顆粒級(jí)配曲線，曲線2、3、4-粒徑分別為土樣粒徑4倍、6倍、8倍的濾料顆粒顆粒級(jí)配包絡(luò)線

圖2細(xì)砂樣品的顆粒級(jí)配曲線及其填礫顆粒級(jí)配包絡(luò)線
Fig.2Grain grading curves of fine sand sample and gradingenvelop curves of the pack materials

對(duì)于圖1所示的地層剖面，當(dāng)開(kāi)采的含水層卵礫石層中存在細(xì)砂夾層且不能有效用套管或封孔材料隔離這些夾層時(shí)，為防止泵砂和減小井損，濾料的粒徑和過(guò)濾管的槽縫寬度需要按表1設(shè)計(jì)。濾料的平均粒徑為0.6 mm時(shí)，可同時(shí)滿足文獻(xiàn)[7]和《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296-2014)的要求。

表1 濾料粒徑與過(guò)濾管槽縫寬度計(jì)算結(jié)果 mmTable 1 Calculation results of pack particle size and screen slot width

實(shí)例工程在卵礫石夾細(xì)砂含水層中卻采用了粒徑為3～8 mm的濾料(這也是荊州市目前的通用做法)，顯著大于同時(shí)滿足文獻(xiàn)[7]和《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296-2014)0.6 mm，也大于含水層顆粒平均粒徑d50(約為0.15 mm)的12倍，不能有效地過(guò)濾細(xì)砂夾層，過(guò)濾的壓力全部轉(zhuǎn)移到了過(guò)濾管上的外包濾網(wǎng)，故隨著時(shí)間的推移，細(xì)顆粒在濾網(wǎng)面上集聚造成濾網(wǎng)堵塞，增大井損。

3 結(jié)論

當(dāng)?shù)叵滤礋岜贸樗_(kāi)采的含水層為細(xì)砂層或?yàn)槁训[石夾細(xì)砂夾層時(shí)，為防止泵砂，目前過(guò)濾管外包不銹鋼絲網(wǎng)或尼龍網(wǎng)仍然是有效手段之一，但洗井工序是在下過(guò)濾管和填礫之后，含水層中粒徑大于包網(wǎng)網(wǎng)孔直徑的泥砂顆粒會(huì)在濾網(wǎng)面上集聚，造成濾網(wǎng)堵塞。故要優(yōu)先采用泥漿密度輕、對(duì)地層污染小的反循環(huán)成孔工藝，以減小過(guò)濾管堵塞和井損增大的風(fēng)險(xiǎn)。

在細(xì)砂層中，雖然采用目數(shù)較大的包網(wǎng)過(guò)濾管可防止泵砂，但仍要根據(jù)含水層的顆粒級(jí)配曲線選擇濾料，發(fā)揮濾料的過(guò)濾作用，避免過(guò)濾壓力全部或大部分轉(zhuǎn)移到了包網(wǎng)過(guò)濾管，造成過(guò)濾管堵塞和井損增大。