供水井清淤施工方法

张庆平,杨军平，李学军

（1.宁夏地质工程院，宁夏银川750001；2.宁夏矿产地质调查院，宁夏银川750021）

供水井因其结构不合理、施工工艺存在缺陷或使用维护不当，在生产运行过程中往往会出现各种故障，影响其功能的正常发挥，如何较好地对故障井进行修复,延长其使用寿命,充分发挥现有机井的作用,降低地下水开发利用成本,是广大水文地质工作者普遍关注的一个重要问题。

1 淤积故障类型及原因分析

1.1 淤积故障类型

出砂和淤积砂埋是供水井最常见的故障类型，机井淤积有两类，在已建成的机井中普遍存在。一类是人为原因造成的淤积。第二类是过滤器化学结垢、过滤层或含水层出现机械堵塞,造成滤水结构淤塞。

1.2 原因分析

（1）设计原因：滤水结构设计不合理,如过滤器缝隙过大；

（2）施工工艺原因：滤料粒径过粗或级配不合理、滤料搭蓬，孔径偏小造成过滤层厚度偏薄、或井眼偏斜导致井管局部与井壁发生贴靠；井管破损、滤网及滤水管破损、沉淀管底部张开、滤水管及过滤层堵塞等情况，均可导致在抽水工况下井内大量进砂；

（3）使用维护原因：地面水(洪水)灌入井内或人为将砖、石、杂物等填入井中造成井内淤积。

第一类井内淤积故障，可通过加强供水井的设计、施工管理和运行管理来予以预防；第二类滤水结构的淤塞,不是人为因素,而是自然条件下形成的，则要通过采取相应的措施进行处理。

2 淤积形成机理及清淤工作原理

2.1 淤积形成机理

供水井抽水运行过程中，地层中的泥砂随水流进入井内，其中部分泥砂随水流返出井口，部分在重力作用下向下运动并沉入井底。如果井内液流不能将泥砂全部带至地面，井内将不断产生淤积沉淀，砂柱逐渐增高，掩埋下部含水层、堵塞含水层或过滤器的渗流通道，同时也增加了地下水的流动阻力，造成供水井出水量减小，使其不能充分发挥供水效能。

2.2 清淤工作原理

冲砂清淤是用高速流动的液体将井底淤积物冲散，在泥浆循环作用的携带下，将冲散的泥砂带出地面，从而达到清除井底积砂的目的。

冲砂清淤时为使携砂浆液将泥砂带到地面，流体在井内上返速度必须大于最大直径的砂粒在携砂液中的下沉速度，一般推荐速度比大于或等于2，计算式为：

式中：V砂——冲砂时砂粒的上升速度，m/min；

V液——冲砂时携砂液的上返速度，m/min；

V降——砂粒在静止冲砂液中的自由沉降速度，m/min；

V液实——保持砂粒上升的最低携砂液流速，m/min。

可由下式求出冲砂时所需的泥浆泵最低排量：

式中：A——冲砂液上返流动的截面积，m2。

在固定排量下冲砂，砂粒从井底上升到地面所需要的时间为：

式中：H——井深，m；

Q泵——冲砂时实际泵入排量，m3/min。

3 清淤方法及技术措施

对于出砂淤积故障机井进行处理，一定要详细查清供水井的井身结构、地层情况、出水情况，分析判定出砂的原因和准确位置，方可采取有针对性的技术措施进行清淤处理。供水井井内淤砂情况不同应采用不同的处理方法。常用清淤法有捞砂筒清淤法、空压机冲洗清淤法、泥浆泵清淤法、双泵清淤法、气举反循环清淤法等。

3.1 捞砂筒清淤法

捞砂清淤时，首先应了解井内淤积情况，井管是否完整无损。如有破损、断裂、脱落等需先进行修复，然后进行捞砂清淤作业。如井内落有砖石瓦块或其他异物的，则要预先进行打捞清除。

捞砂筒选用直径108～146mm的钢管，加工成长度1.5～2.0m的提筒，上部联接提引环或钻杆接头，底部进砂口有活门挡砂板(或挡砂圆球，见图1)，制成捞砂筒。

图1 捞砂筒示意图

捞砂筒清淤法即传统的重力捞砂。作业时，捞砂筒上部用钻杆或钢丝绳连接，底部进砂口设有活门挡砂板。清淤时下放捞砂筒，至淤积面时，反复提落，冲击淤砂，使淤砂体受到搅扰进入捞砂筒内。然后将捞砂筒提出井外，倒出管内积砂。反复操作，直至井内淤砂掏尽。此法操作简单，但清淤效果一般，不适用于井深较大、井底积砂较多、淤积严重、孔壁因坍塌出现失稳及孔内有其他较大落物的供水井。

如果淤积物顶面有砖石等块状落物，需使用图2所示的捞石筒或使用旋挖钻筒进行捞取。筒体总长度1000mm，筒体直径小于套管内径6～8mm，捞石筒底部设置钢丝绳限位防跑装置（见图2），即在筒体内距底部30～40mm排列钢丝，径向排距50～60mm。

如果淤积物中混有块状落物，为提高工作效率，可采用图2所示的多功能打捞筒对淤积物和石块同步进行打捞。用钻具连接多功能打捞筒并下放至淤积面，开泵循环泥浆并回转，即可将淤砂冲起，当停泵后，水中悬浮物在重力作用下通过上开口或天窗沉入淘砂筒内，而较大的块状物则进入打捞筒下部，从底部钢丝绳间隙中挤入筒内并受到钢丝绳约束，达到快速清淤捞物的目的。

上述方法适用于不同深度的供水井，采用活门挡沙板捞砂筒时采用钻具或钢丝绳连接均可，但在使用捞石筒时需用钻具连接并循环浆液，方可完成清淤打捞。

图2 多功能打捞筒示意图

3.2 环式捞砂筒混合清淤法

对于井内淤积物仅为沉砂者，可直接用钻具连接捞砂筒，捞砂筒开口向上，与前述捞砂筒基本类似（见图3）送入淤积深度，开泵将高压水冲入井底的淤积物位置，使沉淀物充分悬浮，然后停泵，在重力作用下，被高压扰动而悬浮的淤积物再次快速沉淀，并落入上部开口的捞砂筒内，然后提出井口予以清除，如此重复作业，直至井内沉淀物完全清除。

此工艺适用于不同井径、井深、液位的供水井，具有较强的经济性和可操作性。该法可适用于不同深度的供水井，但必须用钻具连接捞砂筒并循环浆液。注意捞砂时浆液循环时间不得过长，应间断循环，捞砂筒的深度要随淤积面做及时调整，并同时回转钻具。每次循环时间不超过5min，防止因井内液面升高液柱压力增大导致浆液中悬浮的砂粒再次进入过滤器或过滤层的孔隙中，堵塞进水通道，使出水量减小。

3.3 泥浆泵清淤法

泥浆泵清淤是采用大流量泥浆泵进行清淤。井内用钻杆连接，钻杆底部最前端安装一个射流水枪，水枪嘴接触淤层面。开泵送水，通过喷枪射出，将淤砂冲动，淤砂随着上涌水流冲出地面。随着清水不断压入井内，钻具不断下落，直至井底。

该法适用于井径较小、深度较浅的供水井。对于深度较大的供水井，因浆液循环行程较长，清淤作业时井内浆液上返时虽有较好的携砂效果，但在液柱压力作用下，浆液中携带的部分砂粒将通过过滤器孔隙再次进入过滤层及含水层孔隙中，影响了洗井效果，造成供水井出水量减小。因此，井深越大或井内淤积物粒径越粗则受上述影响更加明显，故此法适用于井深较浅的供水井清淤。

图3 环状打捞筒示意图

3.4 双泵清淤法

双泵清淤法的原理是一台泵向井底供水冲砂，另一台泵自井内向外抽水排砂，利用高压水枪把井管内的淤砂冲起与水混合抽出，如此反复循环直至淤砂排完为止。冲砂泵可选用高扬程清水泵或泥浆泵，冲砂管前端装收缩式圆锥形管嘴并紧靠淤积面。利用潜水电泵产生的高压射流将井内的沉淀物冲起，经抽水泵排出井口。随着孔内淤积物深度逐渐降低，将供水管不断加深，直达井底预定深度，达到清除井内淤积的目的。抽砂泵选用反循环离心泵或砂石泵均可，抽砂泵管口要尽可能接近于冲砂泵管口，才能有效地吸取悬浮浓度最高的砂泥，提高清淤排砂效率，并能有效防止悬浮的泥砂在重力作用下再次进入管外或含水层中。

对于直径较大和较深的管井，采用双泵清淤法效果更好，效率更高。此法由于抽排的井水中含有大量泥砂，对水泵及轴套的磨损较为严重，且易使水泵电机烧坏，维修保养成本较高。

3.5 空压机清淤法

空压机清淤法适用于井深较深，安装有井管的供水井。对于裸眼成井或浅部未进行止水的供水井，由于孔壁的稳定性较差或可能出现管外返水，故不宜采用直接对口抽（直接将风管下入孔内，孔壁作为出水管）的方法进行吹砂（或洗井）。

空压机清淤时应将送风管与出水管配合使用，即用一根钢管（4寸）下入井内，底口距淤积面0.3m左右，再将一根送风管插入出水管内（或与出水管相连接），风管底部连接水气混合器，混合器高于钢管底口3m左右，井口出水口处安装水气分离装置。向孔内送入压缩空气，使水气充分混合，由于气水混合物比重小于1，在大气压作用下，井水通过出水管底口进入出水管并上返至地面排出，从而将井内的淤积物携带出井口。随着孔内淤积物深度逐渐降低，将出水管不断加深，直达井底预定深度，达到清除井内淤积的目的。次法要求供水井有足够的出水量及水柱高度，否则需向井内注入清水方可连续进行。空压机清淤作业时，由于井内蓄积了大量的高压气体，在管口刚出水瞬间，井内安装的管材设备会受到较大的震动及冲击力，故应对其进行彻底固定，防止井管损坏。同时要测试水气分离器的性能，减轻出水的冲击力。

空压机及吹砂清淤设备安装时，将送风管和出水管采用同心式或并列式均可，送风管下入深度受空气压缩机额定工作压力限制，1个工作压力上举水柱高度通常按10m来计算。送风管沉没比应控制在0.5～0.6为宜，出水管底部应长于送风管3m以上，风管底部需连接一长1m的水气混合器。如果井深大于100m，则宜采用同心式安装，出水管的长度以能够达到孔底淤积物深度为准，见图4。

图4 空压机吹砂清淤示意图

空压机清淤法，洗井清淤彻底、效率高，能适应多种井型，但是安装维修复杂，洗井清淤成本高，一般浅井不宜使用。

3.6 泥浆泵与空压机联合清淤法

对于深水井或出水量较小的供水井清淤，为避免孔壁泥皮的二次形成，不宜采用比重较大的泥浆，而采用清水清淤时其携砂清淤能力通常较差，可将泥浆泵和空压机联合使用。

操作方法是，从钻杆中送入高压水流冲洗钻扫井底的淤积物，同时通过空压机风管向孔内压风（控制好沉没比），使携有大量泥砂的井水从井口排出。如果淤积物砂砾粒径较粗，应调制密度稍大的泥浆加以循环，即可增强其携砂能力。清淤至井底处后，向孔内注入大量的清水，并停止泥浆泵送高压水，配合空压机抽水将孔内泥浆彻底置换，达到清淤洗井目的。

此法由于涉及的管路较多，不适用于井径较小的供水井，同时由于安装于孔内的管路较多，稍有不慎易发生孔内事故，作业时应加以注意。

3.7 气举反循环清淤法

3.7.1 工作原理

气举反循环清淤,与空压机洗井清淤原理基本相同，是通过抽汲井内的浆液将淤积物排至井外。由于气举反循环方法是将压缩空气通过钻具送至气水混合器,即压缩空气与钻具内的液体混合形成密度小于井内液体密度的气液混合物,在钻具外液柱压力的作用下气液混合物上升,使清淤效果更好。作业时，随着压缩空气的不断送入,井内的液体携带泥砂通过钻头进入钻具内,形成连续抽汲井内浆液和岩屑、砂粉的过程,与常规的正循环清淤方法相比,施工效率大幅度地提高,而且井内不易出现卡、埋事故。另外，该法作业对水井的取水层无污染、堵塞,保证了水井的出水能力。

3.7.2 技术要点

气举反循环清淤具有以下技术特点：

（1）由于冲洗液在钻具内流速较高(一般大于2m/s),所以能携带较大颗粒的泥砂等淤积物,清淤速度快、效果好。

（2）气举反循环清淤不会堵塞含水层,可有效提高水井出水量。

（3）井深小于50m时,气举反循环钻进不易实现或钻进效率很低。

（4）气举反循环钻进需要的钻具较复杂,钻具重量较大。

3.7.3 注意事项

清淤时应注意以下事项：

（1）必须保证双壁钻具的沉没比大于60%,尾管比(单壁钻具长度与动水位以下的双壁钻具长度比)应小于10,以取得好的携带泥砂效果。

（2）钻具要上紧丝扣,密封要好,特别要注意不能使用刺穿的单壁钻具,以免形成短路循环,发生烧钻、埋钻等事故。

（3）开始送风之前,钻头要提离井底30～50cm,防止钻头水眼被堵塞。待排出的浆液较清洁后,再将钻头缓慢下放井底。

（4）清淤时,要根据返出浆液中的泥砂浓度,适当地控制下钻速度,切勿突然停止送风。

（5）停钻之前要将钻头稍稍提离井底,待浆液中基本不含泥砂时再停止送风。

（6）要注意观察排出浆液的情况。如浆液量变小,可能是钻头、钻具内眼发生了堵塞,或浆液中泥砂过多；如浆液中不含泥砂,可能是钻具太短,或井底没有泥砂,或井底泥砂颗粒较大浆液携带不上来。遇到这些情况,应及时查找原因及时处理。

（7）要密切观察空压机的风压和出水口的出水量、出风量,发现异常正确分析及时处理。