減壓井超聲波解堵試驗(yàn)初步研究

田 密，盛小濤

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；(2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

堤防減壓井技術(shù)因其在汛期可迅速降低承壓水頭、占地面積小、自流等特性在長江、漢江等大堤中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但減壓井在施工和運(yùn)行過程中易發(fā)生倒灌淤堵[1-5]，導(dǎo)致汛期減壓井出水量降低，排水減壓效果及使用壽命降低[1]。針對淤堵的減壓井可以通過洗井措施疏通井管及含水層排水通道，恢復(fù)其功能?，F(xiàn)有減壓井洗井技術(shù)主要有活塞洗井[6]、脈沖方式?jīng)_洗減壓井[7]、雙向循環(huán)式大降深洗井[8]等。然而，堤壩減壓井由于耐久性要求，一般選用硬塑料管材，且管材接頭連接部件采用環(huán)箍結(jié)構(gòu)，井管結(jié)構(gòu)比較脆弱?，F(xiàn)有洗井技術(shù)易造成管材凹扁、接頭脫落，導(dǎo)致減壓井結(jié)構(gòu)破壞。因此，需要尋求更為安全穩(wěn)定的減壓井洗井方式。

超聲波解堵技術(shù)近年來主要應(yīng)用在石油開采行業(yè)中[9-11]，其解堵原理主要是通過強(qiáng)大的聲波能量作用于地層，使油層及流體產(chǎn)生不同的物理、化學(xué)變化，從而改變油層滲流條件，疏通油流通道，利于原油流動(dòng)、提高原油采收率[12-13]。如繆春暉[14]將超聲波技術(shù)應(yīng)用于州401區(qū)塊的油水井，通過解堵試驗(yàn)得到超聲波技術(shù)能夠解除油層堵塞和污染，防止污垢沉積，提高油井的驅(qū)油能力。侯利等[15]在樁西采油廠石油開采中應(yīng)用聲波振蕩解堵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平均單井日增油3.2 t，提高了防砂油井的產(chǎn)能。代文等[16]在南海油田開采中引進(jìn)了俄羅斯新型稀土合金磁材料裝配的超聲波解堵儀，對南海油井兩個(gè)堵塞油層進(jìn)行了解堵應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了增液38.2%、增油8.7倍的良好效果。

此外，也有學(xué)者借鑒超聲波解堵技術(shù)在石油開采中油水井解堵取得的良好效果，將該技術(shù)應(yīng)用于水文地質(zhì)勘探鉆孔清洗。如馬良[17]應(yīng)用超聲波洗井技術(shù)在室內(nèi)分別清洗砂巖巖芯和砂巖鉆孔模型，試驗(yàn)表明經(jīng)超聲波處理后的巖石孔隙率恢復(fù)率在90%以上，滲透率恢復(fù)70%以上，可達(dá)到增加孔隙率和孔隙度的效果，并認(rèn)為該技術(shù)可應(yīng)用于水文鉆孔洗井。王偲等[18]通過深入調(diào)研國外新型超聲波洗井技術(shù)后，認(rèn)為超聲波洗井便宜、高效、便攜，能沖洗所有與洗井液接觸物體的表面以及更深層次的空間，并且不會(huì)產(chǎn)生任何機(jī)械磨損或化學(xué)腐蝕，應(yīng)用范圍也非常廣泛。但目前關(guān)于超聲波技術(shù)在堤防減壓井砂土承壓水地基條件下管井解堵的研究鮮少。

本文針對現(xiàn)有堤壩減壓井洗井技術(shù)的不足，提出了一種適用于堤壩減壓井清洗的超聲波解堵系統(tǒng)，自主研制了超聲波解堵設(shè)備，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了減壓井產(chǎn)生倒灌淤堵，通過常水頭滲透試驗(yàn)研究了減壓井超聲波解堵技術(shù)的作用效果。

2 超聲波解堵系統(tǒng)

結(jié)合堤防減壓井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對性地研發(fā)了超聲波解堵系統(tǒng)。超聲波解堵系統(tǒng)主要由高頻電信號(hào)控制裝置、電聲轉(zhuǎn)換集成裝置組成。

高頻電信號(hào)控制裝置由超聲波發(fā)生器、七芯電纜線、供電設(shè)備組成。超聲波發(fā)生器工作頻率范圍為20～40 kHz，其將供電設(shè)備提供的市電轉(zhuǎn)換成高頻交流電信號(hào)，并通過七芯電纜線傳輸給電聲轉(zhuǎn)換集成裝置。

電聲轉(zhuǎn)換集成裝置為多個(gè)超聲波換能器內(nèi)置于六棱柱清洗棒邊壁集成安裝的能量轉(zhuǎn)換裝置，喇叭形超聲波換能器在其中上下疊拼環(huán)形陣列布置(如圖1所示)，整體長度為600 mm，可承載功率為2 800 W。高頻交流電信號(hào)通過電聲轉(zhuǎn)換集成裝置轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，然后通過六棱柱清洗棒傳遞并作用于水體，電聲轉(zhuǎn)換集成裝置的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為空化效應(yīng)。水體中微小氣泡在聲壓或者聲強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)候，氣泡迅速膨脹，然后又突然閉合。氣泡閉合的瞬間產(chǎn)生沖擊波，使氣泡周圍產(chǎn)生巨大壓力，對淤堵物直接反復(fù)沖擊，破壞淤堵物與多孔介質(zhì)黏連并促使淤堵物破壞剝離。

圖1 電聲轉(zhuǎn)換集成裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electro-acoustic conversion integration device

最后，通過承壓水自流或深井泵抽取地下水的方式，在井管周邊含水層內(nèi)形成降落漏斗，驅(qū)動(dòng)地下水向井內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剝離的淤堵細(xì)顆粒從含水層孔隙中析出。通過研制的超聲波解堵系統(tǒng)可以有效促進(jìn)井管邊壁、含水層淤堵物排出，達(dá)到清洗減壓井的目的，避免現(xiàn)有洗井方法損傷井管。

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

堤防加固工程中大范圍采用了減壓井方案，鉆孔直徑一般為600 mm，井管直徑300 mm。為研究超聲波解堵效果及其影響因素，本試驗(yàn)在Φ600 mm的大型垂直滲透儀[19]中進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)M減壓井過濾器和含水層產(chǎn)生淤堵和超聲波解堵過程。井管過濾器段長50 cm，直徑30 cm，布置在試樣正中，梅花狀布置鉆孔，開孔率19.18%，管壁包裹2層40目尼龍紗網(wǎng)，其中40目=380 μm,指可通過篩網(wǎng)的最大粒徑為380 μm。測壓管伸入砂層內(nèi)10 cm，從上游至下游依次按順序排列(圖2)。假設(shè)透水底板高度為0，C1—C6測壓管高度依次為0.0、9.0、19.0、29.0、38.5、52.0 cm。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.2 Schematic diagram of the test model

3.2 滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)采取模型底部進(jìn)流方式，應(yīng)用常水頭滲透試驗(yàn)方法[20]研究模型在淤堵前、淤堵后以及解堵后的滲流規(guī)律。分別在淤堵前、淤堵后以及解堵后3種狀態(tài)下，通過逐步提升上游供水定水頭以逐級增加含水層綜合水力滲透比降i(其值等于上下游水頭差/試樣砂層厚度)，依次為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7和1，測量每級比降條件下穩(wěn)定時(shí)的管口出水流量Q。依據(jù)達(dá)西定律可知：

V=Ki；

(1)

Q=KSi。

(2)

式中：V為等效滲透流速；K表示綜合滲透系數(shù)；S為出水?dāng)嗝婷娣e，在承壓水條件下可認(rèn)為其為固定值；Q為管口出水流量。

3.3 試驗(yàn)步驟與方案

3.3.1 試驗(yàn)步驟

3.3.1.1 試驗(yàn)裝樣

試驗(yàn)砂樣選用長江砂，裝填密度1.50 g/cm3時(shí)，試驗(yàn)測得其滲透系數(shù)為8.65×10-3cm/s，裝樣厚度53 cm。試驗(yàn)過程中控制裝樣密度為1.50 g/cm3或1.45 g/cm3，比較不同裝樣密度的影響。砂樣頂部采用水泥密封使試驗(yàn)砂樣含水層承壓，水泥板總厚42 cm。砂樣級配條件如表1所示。

表1 江砂顆粒級配分析Table 1 Particle gradation of river sand

3.3.1.2 淤堵前滲透試驗(yàn)

為獲取原始含水層滲流規(guī)律，進(jìn)行淤堵前滲透試驗(yàn)，測量記錄淤堵前各級比降條件下測壓管水頭及對應(yīng)比降的管口出水流量。

3.3.1.3 配置懸濁液

為模擬減壓井井管內(nèi)淤堵環(huán)境，采用粉質(zhì)黏土配置含泥量15.0 g/L的懸濁液進(jìn)行淤堵，粉質(zhì)黏土級配如表2所示。

表2 粉質(zhì)黏土級配分析Table 2 Grading of silty clay

3.3.1.4 淤堵試驗(yàn)

自上而下向試驗(yàn)井管內(nèi)回灌懸濁液，使顆粒物停留、吸附在砂樣內(nèi)，并從滲透儀底部排出滲透水體。淤堵過程持續(xù)2 d，淤堵完成后變換水流方向，進(jìn)行淤堵后滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)方法同3.3.1.2節(jié)。

3.3.1.5 超聲波解堵試驗(yàn)

超聲波解堵發(fā)生器工作頻率為26.5 Hz，解堵試驗(yàn)過程中時(shí)刻保持上下游具有一定水頭差，以便在水力比降驅(qū)動(dòng)下，松動(dòng)、剝離的淤堵細(xì)顆粒可以快速排出，解堵過程中控制驅(qū)動(dòng)水力比降為0.5或1.0，比較不同驅(qū)動(dòng)水力比降對解堵效果的影響。

解堵過程中每次持續(xù)10 min，并待出水流量穩(wěn)定后測量記錄。若超聲波解堵系統(tǒng)作用3次后出水流量不再增加，則表明達(dá)到超聲波解堵能力極限，解堵試驗(yàn)結(jié)束。解堵試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行滲透試驗(yàn)(圖3)，試驗(yàn)方法同3.3.1.2節(jié)。

圖3 超聲波解堵試驗(yàn)Fig.3 Ultrasonic plug removal test

3.3.2 試驗(yàn)方案

為研究影響超聲波解堵效果的因素，分別改變砂樣裝填密度和驅(qū)動(dòng)水力比降，試驗(yàn)方案設(shè)置見表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

4 井管淤堵試驗(yàn)成果分析

分別在方案F1、F2及F3條件下采用配置的懸濁液對井管進(jìn)行回灌，模擬堤防減壓井倒灌淤堵，并在淤堵前、后進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

以F1方案的淤堵試驗(yàn)結(jié)果為例，在該方案下可得到淤堵前和淤堵后各級比降條件下測壓管水頭和位置曲線關(guān)系，如圖4所示。對比圖4(a)和圖4(b)可知，井管淤堵后關(guān)系曲線整體右移，表明測壓管水頭整體增大，砂樣承受的水壓力增大。淤堵前曲線較為集中、陡峭，靠近井管出水口水壓力消減較多；淤堵后曲線變得分散、平滑，靠近出水口承壓水頭增大。同時(shí)淤堵后出水流量明顯降低，排減水壓力能力減弱。方案F2、F3也有類似的規(guī)律。

圖4 淤堵前后各測壓管水頭分布(方案F1)Fig.4 Water head distribution of each piezometer before and after silting (scheme F1)

依據(jù)方案F1的滲透試驗(yàn)結(jié)果，繪制比降與流量的關(guān)系曲線，如圖5所示。對淤堵前后比降與流量的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合可知，井管口出水流量Q與滲透比降i呈顯著的線性關(guān)系，線性擬合的決定系數(shù)均>0.99，說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ头倪_(dá)西定律(式(2))。比降與流量關(guān)系曲線的斜率可以用來表征模型綜合滲透性。由圖5可以看到，淤堵前比降與流量關(guān)系曲線的斜率為35.044，淤堵后降低為9.782，說明含水層系統(tǒng)滲透性降低，也表明回灌懸濁液后井管發(fā)生了嚴(yán)重淤堵，導(dǎo)致出水流量明顯降低。例如滲透試驗(yàn)比降在0.5時(shí)，淤堵前流量為18.18 mL/s，淤堵后該比降下流量減少至4.90 mL/s，降低到原有水平的26.95%。方案F2、F3也得出相似的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 上下游比降與流量的關(guān)系(方案F1)Fig.5 Relation between gradient and flow of upstream and downstream (scheme F1)

5 超聲波解堵試驗(yàn)成果分析

對F1、F2及F3三種方案下已淤堵的減壓井分別采用自主研制的超聲波解堵設(shè)備解堵。獲取方案F1、F2和F3的解堵累計(jì)時(shí)間-管口出水流量過程線，如圖6所示。由圖6可知，隨著超聲波持續(xù)作用，井管出水口流量逐漸趨于穩(wěn)定。如對于方案F1，當(dāng)超聲波解堵累計(jì)作用80 min后管口出水流量開始趨于穩(wěn)定，達(dá)到該超聲波參數(shù)條件下解堵能力極限。方案F2與方案F3超聲波解堵作用達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間分別為60 min和120 min。

圖6 超聲波解堵累計(jì)時(shí)間與管口出水流量過程線Fig.6 Curves of outlet flow against cumulative time of ultrasonic plugging removal

根據(jù)F1、F2及F3三種方案淤堵前、淤堵后、解堵后滲透試驗(yàn)的比降-流量關(guān)系曲線，統(tǒng)計(jì)比降與流量關(guān)系曲線線性擬合斜率，如表4所示。由表4可知：

表4 3種方案的比降-流量關(guān)系曲線線性擬合斜率Table 4 Linear fitting slope of the relations between gradient and flow for three schemes

(1)超聲波解堵后，不同方案條件下比降與流量關(guān)系曲線線性擬合斜率均比淤堵后的斜率有所增加，綜合滲透性得到提升，表明超聲波解堵效果明顯。以F1方案滲透試驗(yàn)結(jié)果為例，超聲波解堵后滲透試驗(yàn)的井管口出水流量Q與滲透比降i呈顯著的線性關(guān)系，如圖5所示。對于F1方案，超聲波解堵后比降與流量關(guān)系曲線斜率由淤堵后的9.782提高至21.768,可見自主研制的超聲波解堵系統(tǒng)能夠有效疏通井管排水通道，使得含水層透水性提高。如在比降0.5條件下，井管淤堵后出水口流量減少為4.90 mL/s，經(jīng)過超聲波解堵后流量提高至10.38 mL/s，提升了30.14%，說明同等條件下井管出水口流量有所增加。

(2)方案F1解堵后與淤堵前滲透試驗(yàn)比降與流量關(guān)系斜率比為62.12%，此指標(biāo)可以反映經(jīng)超聲波解堵后的淤堵減壓井綜合滲透性恢復(fù)程度。對于方案F2和F3，滲透試驗(yàn)的比降與流量關(guān)系曲線斜率分別從淤堵后的18.371和8.634提高至52.032和30.909，解堵后與淤堵前比降與流量關(guān)系斜率比分別為63.56%和96.23%。由此可見，超聲波解堵系統(tǒng)能夠使淤堵減壓井恢復(fù)60%以上。

由圖6和表4還可知:

(1)方案F2的砂樣裝樣密度比方案F1小，但淤堵前方案F2的比降-流量關(guān)系曲線線性擬合斜率(81.859)大于方案F1的(35.044)。這是因?yàn)榉桨窮2砂樣裝樣密度小，其含水層系統(tǒng)孔隙率較大，透水性較強(qiáng)，淤堵前排水減壓效果好。發(fā)生倒灌淤堵后，方案F2的淤堵后與淤堵前比降-流量關(guān)系曲線斜率比為22.44%，小于方案F1的27.91%，說明方案F2試樣淤堵程度更高，綜合滲透性更小。2種方案解堵后與淤堵前比降-流量關(guān)系曲線斜率比接近，表明裝樣密度對超聲波解堵程度影響不顯著。但在較小的試樣密度條件下，方案F2超聲波解堵作用穩(wěn)定時(shí)間為60 min，能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同等解堵效果。

(2)對比方案F1和F3，提高超聲波解堵過程中驅(qū)動(dòng)水力比降后，方案F3的解堵作用達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間延長了40 min，解堵后與淤堵前比降-流量關(guān)系曲線斜率比為96.23%，明顯高于方案F1的62.12%，表明提高驅(qū)動(dòng)水力比降能增加超聲波解堵作用效果。原因在于解堵過程中在較大的驅(qū)動(dòng)水力比降下，更易于帶動(dòng)剝離的淤堵細(xì)顆粒從含水層內(nèi)析出，從而增強(qiáng)了超聲波解堵能力。

6 結(jié) 論

本文提出了一種適用于堤壩減壓井清洗的超聲波解堵系統(tǒng)，自主研制了超聲波解堵設(shè)備。在室內(nèi)大型滲透儀中模擬了減壓井倒灌淤堵，并通過常水頭滲透試驗(yàn)研究了減壓井超聲波解堵技術(shù)的作用效果，開展了砂樣密度和驅(qū)動(dòng)水力比降對超聲波解堵效果的影響研究。主要得出以下結(jié)論：

(1)減壓井管口發(fā)生倒灌淤后將導(dǎo)致試樣含水層系統(tǒng)發(fā)生堵塞，含水層滲透性降低，井管出水流量降低，排減水壓力能力減弱。

(2)自主研制的超聲波解堵系統(tǒng)能夠使淤堵顆粒物從含水層脫落、剝離，在驅(qū)動(dòng)水力比降作用下從井管過濾器析出，有效疏通井管排水通道，使得解堵后滲透試驗(yàn)的比降與流量關(guān)系曲線斜率比淤堵后有所增加。超聲波作用后減壓井含水層綜合滲透性得到提升，出水口流量增加，減壓能力增強(qiáng)，解堵效果明顯，可使淤堵減壓井功效恢復(fù)60%以上。

(3)裝樣密度減小后，砂樣孔隙率增加，淤堵前排水減壓能力較強(qiáng)，但是發(fā)生倒灌淤堵后，試樣淤堵程度更高。裝樣密度對超聲波解堵程度影響不顯著，但在較小的裝樣密度條件下，超聲波能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同等解堵效果。

(4)超聲波解堵過程中在較大的驅(qū)動(dòng)水力比降下，更易于帶動(dòng)剝離的淤堵細(xì)顆粒從含水層內(nèi)析出，提高驅(qū)動(dòng)水力比降能增加超聲波解堵作用效果。

(5)本文試驗(yàn)主要針對倒灌淤堵這一單一淤堵形式進(jìn)行試驗(yàn)研究，實(shí)際工程中造成減壓井淤堵多為綜合性淤堵，還包括生物、化學(xué)等淤堵形式，其針對綜合性淤堵解堵功效還有待進(jìn)一步研究。