地?zé)峋┕な褂弥写嬖诘膯?wèn)題及對(duì)策

楊振華

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，濟(jì)南 250014)

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到飛速發(fā)展，但與之相伴的是對(duì)資源和環(huán)境不甚科學(xué)合理的使用和破壞。但隨著兩山理論的提出，我國(guó)將綠色發(fā)展觀作為了重要發(fā)展方針，減少傳統(tǒng)化石能源的使用和碳排放已成為當(dāng)前發(fā)展的要求。地?zé)崮苁且环N可再生的潔凈能源，存儲(chǔ)量巨大，在地表兩千米以內(nèi)儲(chǔ)藏的地?zé)崮艹^(guò)2 500億t標(biāo)準(zhǔn)煤，在供暖、養(yǎng)殖、醫(yī)療、發(fā)電等方面有著很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益，發(fā)揮著非常廣泛的作用，因而我國(guó)不斷重視地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，地?zé)峋┕ぷ鳛榈責(zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的重要工作，還存在著一些問(wèn)題，如果有效解決這些問(wèn)題將會(huì)顯著提升地?zé)峋某删|(zhì)量，延長(zhǎng)地?zé)峋氖褂脡勖?/p>

1 地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用行業(yè)現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，地?zé)峋┕な袌?chǎng)也較為成熟，具備施工能力的單位主要分為國(guó)有單位(包括地礦、煤田等國(guó)有地勘隊(duì)伍，以及石油系統(tǒng)企業(yè))和民營(yíng)鉆探企業(yè)。其中，由于石油系統(tǒng)企業(yè)裝備優(yōu)勢(shì)明顯，因而占有較大市場(chǎng)份額，而地礦、煤田有著較強(qiáng)技術(shù)能力，也是市場(chǎng)中的重要力量。地?zé)峋@與普通供水水井有很大不同：一是比普通水井的鉆孔深度大，現(xiàn)有技術(shù)條件下，地?zé)峋疃纫话愠^(guò)1 000 m，深層的可超過(guò)3 500 m。二是開(kāi)孔和終孔口徑都比普通水井大，例如山東省地礦工程勘察院在山東濰坊濱海新區(qū)施工的多口地?zé)峋責(zé)峋_(kāi)孔口徑Φ311 mm、終孔口徑Φ215 mm。三是地層比較復(fù)雜，普通水井一般就是第三系、第四系，而地?zé)峋@探過(guò)程一般要穿透二迭系、石炭系、奧陶系等，必須采用護(hù)壁措施。四是地?zé)峋疁匾话愠^(guò)30 ℃，必須要封閉低溫含水層。五是地?zé)峋玫你@探設(shè)備更復(fù)雜，工程造價(jià)也明顯更高。不同地?zé)峋@探工藝有不同特色，但也有不少相同之處，例如鉆井工藝多采用正循環(huán)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆頭基本上都是采用三牙輪的，不同施工項(xiàng)目主要區(qū)別在地?zé)峋Y(jié)構(gòu)、成井材料、泥漿以及固漿止水等方面。

現(xiàn)階段，地?zé)嵝袠I(yè)存在以下問(wèn)題：一是地?zé)嵝袠I(yè)管理還沒(méi)有建立起適應(yīng)社會(huì)需求的管理體制，地?zé)崾袌?chǎng)管理仍比較混亂，比如資源底數(shù)不清，布局不合理，違規(guī)鑿井、取水、開(kāi)采現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，施工單位技術(shù)能力魚(yú)龍混雜，針對(duì)這種情況，河北等省份則出臺(tái)政策，關(guān)停了違法開(kāi)采地?zé)峋?。二是地?zé)豳Y源的勘探開(kāi)采投入高、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)要求強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)防控和社會(huì)保障制度還不及安全，影響投資者信心。三是系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范尚不健全，雖然制定了《地?zé)峋┕ぜ夹g(shù)規(guī)程》(DB13T 2571-2017)，但技術(shù)規(guī)程、規(guī)范還需要進(jìn)一步完善。四是雖然資源使用不合理，多數(shù)地?zé)峋疀](méi)有實(shí)現(xiàn)梯次利用，沒(méi)有回灌措施、沒(méi)有落實(shí)環(huán)保措施等。

2 地?zé)峋褂眠^(guò)程中的主要問(wèn)題

通常情況下，在地?zé)峋褂靡欢螘r(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)水量不斷減少、金屬井管腐蝕、破裂、錯(cuò)位等問(wèn)題，如果不能及時(shí)有效處理以上問(wèn)題，不僅會(huì)導(dǎo)致地?zé)峋褂脡勖鼫p少，還可能導(dǎo)致次生環(huán)境問(wèn)題，例如水溫下降、深層地下水串層污染、地面不均勻沉降等問(wèn)題，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可彌補(bǔ)的破壞。經(jīng)分析，出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因既有地質(zhì)方面的客觀原因，又有施工因素的影響。

2.1 水量減少的問(wèn)題

地?zé)峋谑褂靡欢螘r(shí)間后，普遍會(huì)出現(xiàn)水量減少的情況，部分地區(qū)出現(xiàn)過(guò)地?zé)峋骄晁幌陆凳椎榷饲闆r，具體原因分析如下。

2.1.1 施工工藝方面的原因

(1)鉆進(jìn)工藝導(dǎo)致

由于國(guó)內(nèi)地?zé)峋@探施工多采用正循環(huán)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，由于正循環(huán)工藝的循環(huán)泥漿是從鉆桿內(nèi)注入，鉆碴隨泥漿上升至孔頂排出，但隨著鉆碴的逐漸加多，泥漿濃度越來(lái)越大，又因鉆渣沉淀而致重復(fù)碾磨，故施工效率較低，排渣效果與反循環(huán)相比較差。同時(shí)由于井內(nèi)泥漿產(chǎn)生了一定的動(dòng)壓力和靜壓力，容易將泥漿輻射滲透到孔外地層，封堵其中裂隙、孔隙，加之沒(méi)有采用先進(jìn)的洗井措施，導(dǎo)致水量減少。

(2)圍填濾料工藝導(dǎo)致

在第四系松散地層施工地?zé)峋畷r(shí)，主要采用擴(kuò)大井徑后投料的方式，圍填濾料一般在下井管后進(jìn)行，該種方式主要有以下不足：一是施工工藝導(dǎo)致濾料不均勻。由于地?zé)峋^深，容易產(chǎn)生濾料分選現(xiàn)象，細(xì)礫料在上部，而粗礫料在下部，在管彎曲等情況時(shí),投料更難以保證均勻性，從而導(dǎo)致濾料粒徑級(jí)配不滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生涌沙現(xiàn)象，沉積后影響出水量。二是濾料成分會(huì)影響出水量，例如石英等成分較少的礫料容易造成膠結(jié)，可能導(dǎo)致出水量減少。三是在不穩(wěn)定地層中，濾料圍填時(shí)容易導(dǎo)致井壁崩塌，在井管外部充填礫料與崩塌物的混合物，從而給下一步洗井工作帶來(lái)困難，影響地?zé)峋鏊?。這種工藝會(huì)導(dǎo)致洗井時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響施工工期，且一成井便存在含砂量較高、水量偏少的問(wèn)題。

而一些基巖地區(qū)的地?zé)峋┕r(shí)，僅在井管下部下入中間套管或花管，而不投濾料，這種工藝對(duì)穩(wěn)定基巖地區(qū)是可行的，但是對(duì)于泥頁(yè)巖等不穩(wěn)定巖層，如果采用不投濾料的工藝，在水的作用下容易導(dǎo)致應(yīng)力釋放，井壁會(huì)產(chǎn)生變形、剝落，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉積，會(huì)形成井下環(huán)狀間隙淤堵，嚴(yán)重影響含水層出水量。

2.1.2 非施工方面的原因

(1)水資源開(kāi)采不科學(xué)

由于集中開(kāi)采地?zé)崴譀](méi)有充分回灌補(bǔ)充，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，形成地下水漏斗，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致地?zé)釄?bào)廢、地下水資源匱乏乃至枯竭的現(xiàn)象。

(2)地?zé)峋l(fā)生堵塞

一是物理堵塞，即物體以其自然(物理)形態(tài)將地?zé)峋氯默F(xiàn)象。其中，井壁掉塊堵塞，主要發(fā)生在基巖地層地?zé)峋校诘貙訅毫τ绊懴?，或者抽水?qiáng)度超限，由于井筒內(nèi)外壓力失衡導(dǎo)致的井壁掉塊，堵塞地?zé)峋?；井?nèi)殘留物堵塞，是由于洗井存在不足，導(dǎo)致鉆井過(guò)程中形成的鉆屑、黏土等殘留物未有效清除，抽水時(shí)帶入井內(nèi)，產(chǎn)生淤塞；砂礫堵塞，主要發(fā)生在第三系地?zé)峋?，是由于抽水尤其是超限時(shí)，將井壁外側(cè)地層中的細(xì)砂中砂抽入井內(nèi)，在井底沉淀；鐵銹堵塞，目前是地?zé)峋氯闹饕闆r，普遍發(fā)生在井內(nèi)動(dòng)水位以上井管、泵管等處，水位變動(dòng)導(dǎo)致氧化加速，鐵銹伴隨著提泵過(guò)程中的震動(dòng)或水文變動(dòng)，落入井內(nèi)。

二是化學(xué)堵塞，即地?zé)崴⒌責(zé)峋O(shè)施中的各種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶于水的沉淀物(主要包括碳酸鈣、三氧化二鐵、硫化亞鐵等物質(zhì))，堵塞地?zé)峋默F(xiàn)象。其中，碳酸鈣是水垢主要物質(zhì)，在碳酸鹽地層閑置地?zé)峋邪l(fā)生較多，而在回灌過(guò)程中，還容易產(chǎn)生二氧化硅；三價(jià)鐵主要是在氧化或微生物作用下，生成深紅色不溶于水的膠泥狀物體；硫化亞鐵是在微生物作用下，將三價(jià)鐵、硫酸根還原而成，生成黑色不溶于水的膠體，充填于各種縫隙，阻礙水流動(dòng)。

2.2 地?zé)峋砥茐牡膯?wèn)題

在使用過(guò)程中，還會(huì)發(fā)生地?zé)峋砥茐牡那闆r，包括金屬井管的錯(cuò)位、腐蝕等問(wèn)題，導(dǎo)致地?zé)峋可场⑺?、溫度下降、水質(zhì)較差等情況，極大縮短地?zé)峋褂脡勖?/p>

2.2.1 井管錯(cuò)位破壞

地裂縫地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)以及采空區(qū)附近，在地應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生地裂縫或不均勻沉降，從而導(dǎo)致地?zé)峋馨l(fā)生錯(cuò)位。

2.2.2 金屬井管腐蝕破壞

地?zé)峋毡榘l(fā)生金屬腐蝕現(xiàn)象，這是由多種腐蝕原因共同造成的，其中，局部銹蝕往往發(fā)生較多且對(duì)井身破壞較大，

(1)井管自身原因。金屬井管通常采用雜質(zhì)較多的碳素鋼作為材料，其表面粗糙，極易產(chǎn)生腐蝕電池，導(dǎo)致井管腐蝕破壞。

(2)地?zé)崴蛲寥涝?。由于地?zé)崴疁囟容^高，溶解了大量的礦物質(zhì)，尤其是氯離子和溶解氧，對(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)。氯例子自身半徑小，穿透力較強(qiáng)，即使已有保護(hù)層，仍可對(duì)碳鋼等金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的孔蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，溫度越高，氯離子腐蝕作用越強(qiáng)。溶解氧也是地?zé)崴兄饕母g性物質(zhì)，02通過(guò)地下深層地?zé)崴c空氣接觸溶入其中，對(duì)金屬井管造成腐蝕。當(dāng)?shù)責(zé)崴甈H值較低時(shí)，容易產(chǎn)生全部暴露面的均勻腐蝕，使金屬不斷腐蝕變薄直至破壞；當(dāng)有兩種不同金屬存在于導(dǎo)電性較強(qiáng)的地?zé)崴?，容易形成腐蝕電池，引起電偶腐蝕；在含砂量偏高、腐蝕性較強(qiáng)的地?zé)峋樗^(guò)程中,會(huì)使地?zé)崴诮饘倬鼙砻娈a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)金屬造成磨損和腐蝕。此外，在特定環(huán)境下，金屬井管外的土壤環(huán)境存在腐蝕性微生物，也會(huì)引起金屬腐蝕，形成腐蝕電池。

3 解決對(duì)策

3.1 強(qiáng)化行業(yè)管理和前期論證

應(yīng)加強(qiáng)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃管理，在地裂縫、采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域，開(kāi)發(fā)應(yīng)用地?zé)豳Y源應(yīng)較為慎重，應(yīng)做好地?zé)峋捌谡撟C工作。應(yīng)不斷完善地?zé)峋┕を?yàn)收規(guī)范，并按規(guī)定做好回灌工作，補(bǔ)充地下水的同時(shí)，避免地?zé)崴苯油馀乓鸬幕瘜W(xué)污染和熱污染，但要做好回灌試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)，并做好全程監(jiān)測(cè)，避免因回灌導(dǎo)致熱儲(chǔ)冷卻，甚至最后喪失回灌能力。

3.2 科學(xué)合理的設(shè)計(jì)施工

應(yīng)以國(guó)家規(guī)范和規(guī)程為標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)際需求為基礎(chǔ)，明確地?zé)峋嚓P(guān)技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)施工要求，并將其納入到經(jīng)濟(jì)合同之中，成為雙方必須遵循的依據(jù)，規(guī)范地?zé)峋O(shè)計(jì)施工過(guò)程，保護(hù)建設(shè)單位和施工方權(quán)益?？梢砸罁?jù)國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，參照各種技術(shù)規(guī)程指導(dǎo)施工過(guò)程，例如河北省可以參照《河北省地?zé)峋┕ぜ夹g(shù)規(guī)程》(DB13/T 2571-2017 )執(zhí)行。

3.3 合理選用洗井方式

針對(duì)地?zé)峋氯饕梢圆捎萌N方法，前期預(yù)防可以采用防氧化保護(hù)措施，堵塞后處理可以采用物理洗井、化學(xué)洗井措施其中，采用充氮?dú)?、二氧化碳或無(wú)氧水對(duì)置泵管、泵管進(jìn)行防氧化保護(hù)，可以防治銹蝕，減少鐵銹堵塞物；物理洗井方式主要有以下幾種方式：可以通過(guò)噴射洗井方式，使水流通過(guò)濾水管，沖洗井壁和含水層裂隙；可以利用活塞洗井方式，通過(guò)抽吸作用，將井壁上的附著五河裂隙中的堵塞物清除；通過(guò)沖孔和撈砂，將沉積在井底的鉆渣排出；使用壓縮空氣方法洗井方法使用較廣泛，既可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用，主要包括正循環(huán)和反循環(huán)兩種方式。通常情況下，可以采用氣舉反循環(huán)工藝，選擇空壓機(jī)洗井；化學(xué)洗井，對(duì)物理洗井后參與的堵塞物進(jìn)行溶解，再利用物理洗井排出井外，此種方式一般使用鹽酸、洗井液、二氧化碳等材料，方式主要有以下幾種：(1)可以采用酸洗井的方法，將酸洗液(一般為鹽酸)注入井壁外碳酸鹽裂隙中，溶解裂隙中的碎屑，擴(kuò)大裂隙，顯著提升出水量(2)利用鹽(一般是焦磷酸鈉)井內(nèi)附著物發(fā)生反應(yīng)，沉淀到井底后后排出。(3)對(duì)于300米以內(nèi)的地?zé)峋?，可以使用液態(tài)二氧化碳洗井。在地?zé)峋畬?shí)際施工過(guò)程中，往往采用多種方法配合使用，才能取得理想效果，比如用酸洗方法后，再利用壓縮空氣洗井，才能將井底沉渣排出井外。利用壓風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合洗井，但酸性化學(xué)物質(zhì)對(duì)設(shè)備、工具、環(huán)境影響均較大，因而需要慎用。

3.4 加強(qiáng)對(duì)新工藝、新材料的研發(fā)

針對(duì)以上問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)井管材料、防腐工藝、新型泥漿以及新工藝的研發(fā)工作，減少普通碳鋼井管的使用，應(yīng)用物理、化學(xué)等表面涂層處理工藝，從而減少對(duì)深層地下水的污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地?zé)峋褂眠^(guò)程中存在水量減少、金屬井管錯(cuò)位和腐蝕破裂等問(wèn)題，應(yīng)該選用合理的施工工藝，確保施工質(zhì)量，此外，還應(yīng)從設(shè)備、工藝等方面，強(qiáng)化對(duì)地?zé)峋?尤其是超深層地?zé)峋?施工和舊井處理的科研工作，只有這樣，才能有效解決地?zé)峋褂弥械母鞣N問(wèn)題，確保地?zé)峋某删|(zhì)量，延長(zhǎng)地?zé)峋氖褂脡勖?/p>