污染場地原位修復雙通道分層注入鉆具的設計與應用分析

鄭瑾，艾紹磊，3，張利賓，3，李興春，杜顯元，高春陽

（1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室；2.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司；3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，北京 102206）

1 前言

近年來，我國土壤環(huán)境總體情況不容樂觀。進入2021 年，全國土壤詳查工作已經完成，工作重點將轉入防控與治理，土壤修復需求進一步提升。目前，污染場地修復技術主要包括異位修復和原位修復2 種技術。其中異位修復技術需要搬運土壤并抽取地下水，土方開挖、搬運工作量較大，對巖土環(huán)境破壞程度大，且開挖的污染土壤或抽取的地下水需要二次處理才能去除其中污染物，其流程復雜、成本高。原位修復技術無需建設昂貴的地面環(huán)境工程設施或對污染物進行遠程運輸，便可使污染物降解或去除，操作維護簡單，更為環(huán)保、經濟。

原位修復技術中的直推式注入法因具有靈活性高，易于優(yōu)化注入點等優(yōu)點，成為國內外研究和工程實踐應用中常用的修復藥劑投加方式。但是在現場應用中也存在一些問題，如藥劑注射完成后，拔出注入鉆具后易形成藥劑回流富集，并且需要多次注入藥劑時原注入孔可能塌陷或擴大，土壤松動，再次注入容易冒漿，另外，注入鉆具設計普遍采用一種藥劑注入，常用的化學氧化劑和活化劑在注入前即發(fā)生反應，使得未與污染物接觸就已經消耗，影響了藥劑對土壤或地下水中污染物的修復效果。為了解決上述問題，本文設計了一種適用于原位修復直推式注入法的分層注入鉆具。

2 鉆具結構及工作原理

2.1 鉆具結構

如圖1 所示，該鉆具為三重管結構，主要由注入接頭、外管、中管、內管、封隔器及鉆頭組成。外管下端與鉆頭連接，外管上端與中管注入接頭固定，且兩者之間可以增加等長的外管；中管注入接頭與封隔器相連，且兩者之間可以增加等長的中管；中管與內管之間的環(huán)形空間為藥劑通道。上端封隔器與下端封隔器之間設計有節(jié)流器。內管注入接頭與內管之間設計有單流閥，兩者之間同樣可增設等長的內管，最下端內管穿過連接頭，提供氣體通道。每節(jié)外管上設有4個藥劑噴嘴，最下端內管上設有4個氣體噴嘴，噴嘴360°均勻分布在圓周上。

圖1 鉆具結構示意圖

2.2 工作原理

工作時，該鉆具藥劑供給的動力通過配備的注液泵來實現，氣體供給的動力通過空壓機來實現。該鉆具的鉆桿下壓的動力通過直推式鉆機提供動力，首先將外管壓入土壤層指定深度，然后依次安裝連接頭、封隔器、節(jié)流器、中管、內管、單流閥等，接著安裝中管注入接頭、內管注入接頭，最后從修復橇上的供液口、供氣口通過軟管線與該鉆具的藥劑注入口、氣體注入口相連接。注入藥劑時，藥劑通過注入接頭依次進入中管、封隔器后，在封隔器腔體開始憋壓，當達到一定壓力時，封隔器上下膠筒迅速膨脹，從而使膠筒與外管內壁緊密貼合，形成封閉的環(huán)形空間，完成座封。隨著壓力的繼續(xù)增大，節(jié)流器上的出口被打開，藥劑進入環(huán)形空間，最終從外管指定深度的藥劑噴嘴噴出。注入完畢后，只需泄掉中管內部的壓力，即可完成鉆具中封隔器的解封。

注入空氣時，空氣經內管通道上的氣體噴嘴噴出，通過外管上的藥劑噴嘴進入土壤層。當一層注入完成后，將封隔器向上提升到達另一層的注入口，此時空氣通過之前的外管藥劑噴嘴進入相應的土壤層中。通過往復提升或下放封隔器來實現分層，將藥劑注入不同深度的土壤污染源，同時還可以根據不同的污染程度注入不同的化學或生物藥劑量。

3 設計理論與材料選擇

3.1 設計參數

（1）藥劑介質：化學氧化、還原藥劑和微生物菌劑；

（2）藥劑注入壓力：0~17MPa；

（3）藥劑注入流量：0~60L/min；

（4）氣體介質：空氣、氧氣；

（5）氣體注入壓力：0.8MPa；

（6）氣體注入流量：0~480L/min；

（7）適用土層：砂土層、粉土層或低滲透的粉質黏土層。

3.2 材料選擇及處理

（1）三重管材質：45#鋼，鉆頭材質：42CrMo。根據3.1 的設計參數，選定鉆具最大承載壓力為17MPa；

（2）封隔器：采用擴張式封隔器，膠筒耐溫要求：0~150°C；

（3）為了降低加工成本，鉆具的三重管均選用標準型材，其中外管外徑：ф89mm、中管外徑：ф66mm、內管外徑：ф28mm；

（4）鉆具表面具有較好的光潔度和抗腐蝕能力，所有管道內外表面粗糙度均為6.3，外表面光滑，可減小鉆具提升或下放的摩擦阻力；同時內外表面經過鎳磷鍍處理，該工藝形成的鍍層膜具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性強的優(yōu)點。

3.3 鉆具壁厚的計算

根據GB50316《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》，壁厚計算公式

t1---理論壁厚，單位mm；

t---計算壁厚，單位mm；

P---壓力，單位MPa，取P=17MPa；

D---鋼管外徑，單位mm，依次取D外=89mm，D中=66mm，D內=28mm；

--- 基本許用應力，查GB/T 699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》，45#鋼的許用應力，取安全系數3，得出=200MPa；

---焊縫系數，無縫管取=1；

Y---系數，根據GB50316《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》表6.2.1，取Y=0.4；

C1---材料厚度負偏差，單位mm；

---管子壁厚負偏差百分數，取12.5%；

C2---腐蝕或磨蝕附加量，單位mm，雙面腐蝕，取C2=2mm；

C3---螺紋加工深度裕量，單位mm，取C3=3mm；

代 入 已 知 數 據，依 次 可 得 出：t外=7.13mm；t中=6.58mm；t內=5.67mm。

因此，只需選擇壁厚大于上述計算值的標準管材，即可滿足設計要求。

4 主要技術特點

（1）設計了雙通道注入方式，藥劑和氣體可同時注入，藥劑可通過高壓注入，提高擴散半徑；氣體的注入不僅可以松動土壤，輔助藥劑的注入，而且還可以增加土壤和地下水中的溶氧量，加強好氧微生物的生物降解作用，使微生物藥劑更好的發(fā)揮作用，從而提高原位修復的效率。

（2）鉆具外管可防止原注入孔塌陷，內置封隔器在外管內根據注入要求提升或下降至指定深度，對污染的土壤實現分層注入，減少藥劑冒漿和回流，合理控制藥劑的使用量，避免過度修復。

（3）現場應用省去了建井環(huán)節(jié)，一次注入藥劑量不能徹底修復時，只需下放中管、內管就可進行二次注藥，待徹底修復完成時再取出注入鉆具。所有部件可重復利用，極大地節(jié)約了成本。

5 現場應用

試驗選取在河北省某廢棄油庫場地進行了鉆具的地上藥液噴射和地下藥液注入試驗，并且考察了工作過程的壓力、流量及藥液輻射范圍，為后續(xù)現場應用提供了數據參考。

5.1 鉆具地面噴射效果

為了測試注入鉆具在不同黏度液體噴射過程的影響，利用自來水和黏度為350 cP（約5g/L 羧甲基纖維素鈉溶液）的溶液開展地面噴射試驗。試驗時將鉆具垂直固定在油庫邊界欄桿上（如圖2），鉆具噴射口距離地面約1m，以鉆具噴射孔為圓心，依次標注半徑為1~10m 的距離。壓力從0.5 MPa 開始，按照0.5 MPa 的間隔逐漸增壓，直到壓力和流量穩(wěn)定，不再隨設置壓力繼續(xù)增加；隨后進行從高到低間隔0.5 MPa 的降壓操作，此過程中記錄設置壓力、實際壓力、液體流量、液體地面噴射距離，考察鉆具噴射不同黏性液體時的穩(wěn)定性，結果如圖3。

圖2 地面噴射試驗效果

圖3 地面噴射不同黏度液體的參數變化

從圖中可以看出，當鉆具在地面噴射清水時，噴射距離隨著設定壓力的增加而增加，同時流量也隨之增加，當流量達到最大時，實際壓力不再增加，噴射距離也不再增加。從圖中數據顯示，地面噴射距離達到4.5m，最大流量達到56 L/min，最大壓力達到3MPa。當試驗介質為黏性液體時，壓力與流量以及噴射距離的變化規(guī)律相似，但在最大流量相同的情況下，地面噴射距離（達到5m）提高約10%，最大壓力（達到3.4MPa）提高約13%。因此，地面噴射最大壓力和流量為3.5MPa 和56L/min，增加液體黏度，噴射壓力和距離均有所提升，噴射過程穩(wěn)定。

5.2 鉆具地下注入效果

配置15% NaCl 溶液，利用鉆具以壓力3MPa，流量55L/min 左右開展原位注入試驗，在取樣注入點不同擴散半徑范圍，隨機設置5個取樣點，通過測定土壤電導率來判定原位注入藥劑的影響半徑情況。取樣點在注入中心周圍0.5m（a）、1m（b）、1.5m（c）、2m（d）、3m（e）分別隨機取1個取樣點，每個取樣點的取樣深度為11m（如圖5）。在注入點分別在0.5m、2m、3.5m、6m 和9m 深度注入100L、100L、100L、200L、300L，試驗中注入點和取樣點布置圖見圖4。

圖4 試驗中注入點和取樣點布置圖

鹽溶液注入后，土壤樣品電導率隨地層變化情況如圖5 所示，結果表明：在0.5m、2m、3.5m 注入相同的藥劑量（100L），均能水平輻射到1.5m 的位置，說明不同方向的注入較為均勻，垂直方向的滲透范圍在±（0.5~1）m 的范圍內。其中2m 和3.5m 的注入可以輻射到2m 的位置。在深度6m 和9m 分別增加注入量，結果發(fā)現注入量越大，擴散范圍越大，電導率值越高，這說明藥劑在土壤中的濃度越大，藥劑濃度在1m 遠的范圍最高，推斷此處的藥劑濃度較高。因此從注入結果來看，所研制鉆具的藥劑注入較為均勻，水平輻射范圍在0~2m，垂直滲透范圍在0.5~1m。

圖5 土壤樣品電導率隨地層變化情況

距離注入點0.5m、1m、1.5m、2m、3m 分別為a~e 取樣點測定的數據；藍色虛線為土壤空白對照電導率值，黃色區(qū)域為理論注入100L 溶液，橘紅色區(qū)域為理論注入200L 溶液，紅色區(qū)域為理論注入300L 溶液。

6 結論與展望

（1）適當增加藥液的黏性可提高藥劑的噴射距離，地面噴射最大壓力和流量為3.5MPa 和56L/min，增加液體黏度，噴射距離均有所提升，噴射過程穩(wěn)定。

（2）所研制鉆具的藥劑注入較為均勻，水平輻射范圍在0~2m，垂直滲透范圍在0.5~1m。

（3）該鉆具借鑒了水平井分段壓裂的原理，整體設計合理，能夠在原位修復中實現分層、定量注入藥劑或者氣體，減少藥劑冒漿和回流，提高藥劑的注入效率，避免出現過度修復，且無需建注入井，極大地降低了土壤修復的成本，具有廣闊的應用前景。