减压井超声波解堵试验初步研究

田 密，盛小涛

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068；(2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

堤防减压井技术因其在汛期可迅速降低承压水头、占地面积小、自流等特性在长江、汉江等大堤中得到了广泛应用[1]。但减压井在施工和运行过程中易发生倒灌淤堵[1-5]，导致汛期减压井出水量降低，排水减压效果及使用寿命降低[1]。针对淤堵的减压井可以通过洗井措施疏通井管及含水层排水通道，恢复其功能。现有减压井洗井技术主要有活塞洗井[6]、脉冲方式冲洗减压井[7]、双向循环式大降深洗井[8]等。然而，堤坝减压井由于耐久性要求，一般选用硬塑料管材，且管材接头连接部件采用环箍结构，井管结构比较脆弱。现有洗井技术易造成管材凹扁、接头脱落，导致减压井结构破坏。因此，需要寻求更为安全稳定的减压井洗井方式。

超声波解堵技术近年来主要应用在石油开采行业中[9-11]，其解堵原理主要是通过强大的声波能量作用于地层，使油层及流体产生不同的物理、化学变化，从而改变油层渗流条件，疏通油流通道，利于原油流动、提高原油采收率[12-13]。如缪春晖[14]将超声波技术应用于州401区块的油水井，通过解堵试验得到超声波技术能够解除油层堵塞和污染，防止污垢沉积，提高油井的驱油能力。侯利等[15]在桩西采油厂石油开采中应用声波振荡解堵技术，实现了平均单井日增油3.2 t，提高了防砂油井的产能。代文等[16]在南海油田开采中引进了俄罗斯新型稀土合金磁材料装配的超声波解堵仪，对南海油井两个堵塞油层进行了解堵应用，实现了增液38.2%、增油8.7倍的良好效果。

此外，也有学者借鉴超声波解堵技术在石油开采中油水井解堵取得的良好效果，将该技术应用于水文地质勘探钻孔清洗。如马良[17]应用超声波洗井技术在室内分别清洗砂岩岩芯和砂岩钻孔模型，试验表明经超声波处理后的岩石孔隙率恢复率在90%以上，渗透率恢复70%以上，可达到增加孔隙率和孔隙度的效果，并认为该技术可应用于水文钻孔洗井。王偲等[18]通过深入调研国外新型超声波洗井技术后，认为超声波洗井便宜、高效、便携，能冲洗所有与洗井液接触物体的表面以及更深层次的空间，并且不会产生任何机械磨损或化学腐蚀，应用范围也非常广泛。但目前关于超声波技术在堤防减压井砂土承压水地基条件下管井解堵的研究鲜少。

本文针对现有堤坝减压井洗井技术的不足，提出了一种适用于堤坝减压井清洗的超声波解堵系统，自主研制了超声波解堵设备，通过室内试验模拟了减压井产生倒灌淤堵，通过常水头渗透试验研究了减压井超声波解堵技术的作用效果。

2 超声波解堵系统

结合堤防减压井结构特点，针对性地研发了超声波解堵系统。超声波解堵系统主要由高频电信号控制装置、电声转换集成装置组成。

高频电信号控制装置由超声波发生器、七芯电缆线、供电设备组成。超声波发生器工作频率范围为20～40 kHz，其将供电设备提供的市电转换成高频交流电信号，并通过七芯电缆线传输给电声转换集成装置。

电声转换集成装置为多个超声波换能器内置于六棱柱清洗棒边壁集成安装的能量转换装置，喇叭形超声波换能器在其中上下叠拼环形阵列布置(如图1所示)，整体长度为600 mm，可承载功率为2 800 W。高频交流电信号通过电声转换集成装置转换为高频机械振动信号，然后通过六棱柱清洗棒传递并作用于水体，电声转换集成装置的振动信号转化为空化效应。水体中微小气泡在声压或者声强达到一定程度时候，气泡迅速膨胀，然后又突然闭合。气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生巨大压力，对淤堵物直接反复冲击，破坏淤堵物与多孔介质黏连并促使淤堵物破坏剥离。

图1 电声转换集成装置示意图Fig.1 Schematic diagram of electro-acoustic conversion integration device

最后，通过承压水自流或深井泵抽取地下水的方式，在井管周边含水层内形成降落漏斗，驱动地下水向井内运动，从而带动剥离的淤堵细颗粒从含水层孔隙中析出。通过研制的超声波解堵系统可以有效促进井管边壁、含水层淤堵物排出，达到清洗减压井的目的，避免现有洗井方法损伤井管。

3 模型试验

3.1 试验模型

堤防加固工程中大范围采用了减压井方案，钻孔直径一般为600 mm，井管直径300 mm。为研究超声波解堵效果及其影响因素，本试验在Φ600 mm的大型垂直渗透仪[19]中进行，试验模拟减压井过滤器和含水层产生淤堵和超声波解堵过程。井管过滤器段长50 cm，直径30 cm，布置在试样正中，梅花状布置钻孔，开孔率19.18%，管壁包裹2层40目尼龙纱网，其中40目=380 μm,指可通过筛网的最大粒径为380 μm。测压管伸入砂层内10 cm，从上游至下游依次按顺序排列(图2)。假设透水底板高度为0，C1—C6测压管高度依次为0.0、9.0、19.0、29.0、38.5、52.0 cm。

图2 试验模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the test model

3.2 渗透试验

试验采取模型底部进流方式，应用常水头渗透试验方法[20]研究模型在淤堵前、淤堵后以及解堵后的渗流规律。分别在淤堵前、淤堵后以及解堵后3种状态下，通过逐步提升上游供水定水头以逐级增加含水层综合水力渗透比降i(其值等于上下游水头差/试样砂层厚度)，依次为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7和1，测量每级比降条件下稳定时的管口出水流量Q。依据达西定律可知：

V=Ki；

(1)

Q=KSi。

(2)

式中：V为等效渗透流速；K表示综合渗透系数；S为出水断面面积，在承压水条件下可认为其为固定值；Q为管口出水流量。

3.3 试验步骤与方案

3.3.1 试验步骤

3.3.1.1 试验装样

试验砂样选用长江砂，装填密度1.50 g/cm3时，试验测得其渗透系数为8.65×10-3cm/s，装样厚度53 cm。试验过程中控制装样密度为1.50 g/cm3或1.45 g/cm3，比较不同装样密度的影响。砂样顶部采用水泥密封使试验砂样含水层承压，水泥板总厚42 cm。砂样级配条件如表1所示。

表1 江砂颗粒级配分析Table 1 Particle gradation of river sand

3.3.1.2 淤堵前渗透试验

为获取原始含水层渗流规律，进行淤堵前渗透试验，测量记录淤堵前各级比降条件下测压管水头及对应比降的管口出水流量。

3.3.1.3 配置悬浊液

为模拟减压井井管内淤堵环境，采用粉质黏土配置含泥量15.0 g/L的悬浊液进行淤堵，粉质黏土级配如表2所示。

表2 粉质黏土级配分析Table 2 Grading of silty clay

3.3.1.4 淤堵试验

自上而下向试验井管内回灌悬浊液，使颗粒物停留、吸附在砂样内，并从渗透仪底部排出渗透水体。淤堵过程持续2 d，淤堵完成后变换水流方向，进行淤堵后渗透试验，试验方法同3.3.1.2节。

3.3.1.5 超声波解堵试验

超声波解堵发生器工作频率为26.5 Hz，解堵试验过程中时刻保持上下游具有一定水头差，以便在水力比降驱动下，松动、剥离的淤堵细颗粒可以快速排出，解堵过程中控制驱动水力比降为0.5或1.0，比较不同驱动水力比降对解堵效果的影响。

解堵过程中每次持续10 min，并待出水流量稳定后测量记录。若超声波解堵系统作用3次后出水流量不再增加，则表明达到超声波解堵能力极限，解堵试验结束。解堵试验结束后进行渗透试验(图3)，试验方法同3.3.1.2节。

图3 超声波解堵试验Fig.3 Ultrasonic plug removal test

3.3.2 试验方案

为研究影响超声波解堵效果的因素，分别改变砂样装填密度和驱动水力比降，试验方案设置见表3。

表3 试验方案Table 3 Test plan

4 井管淤堵试验成果分析

分别在方案F1、F2及F3条件下采用配置的悬浊液对井管进行回灌，模拟堤防减压井倒灌淤堵，并在淤堵前、后进行渗透试验。

以F1方案的淤堵试验结果为例，在该方案下可得到淤堵前和淤堵后各级比降条件下测压管水头和位置曲线关系，如图4所示。对比图4(a)和图4(b)可知，井管淤堵后关系曲线整体右移，表明测压管水头整体增大，砂样承受的水压力增大。淤堵前曲线较为集中、陡峭，靠近井管出水口水压力消减较多；淤堵后曲线变得分散、平滑，靠近出水口承压水头增大。同时淤堵后出水流量明显降低，排减水压力能力减弱。方案F2、F3也有类似的规律。

图4 淤堵前后各测压管水头分布(方案F1)Fig.4 Water head distribution of each piezometer before and after silting (scheme F1)

依据方案F1的渗透试验结果，绘制比降与流量的关系曲线，如图5所示。对淤堵前后比降与流量的关系曲线进行线性拟合可知，井管口出水流量Q与渗透比降i呈显著的线性关系，线性拟合的决定系数均>0.99，说明试验模型服从达西定律(式(2))。比降与流量关系曲线的斜率可以用来表征模型综合渗透性。由图5可以看到，淤堵前比降与流量关系曲线的斜率为35.044，淤堵后降低为9.782，说明含水层系统渗透性降低，也表明回灌悬浊液后井管发生了严重淤堵，导致出水流量明显降低。例如渗透试验比降在0.5时，淤堵前流量为18.18 mL/s，淤堵后该比降下流量减少至4.90 mL/s，降低到原有水平的26.95%。方案F2、F3也得出相似的试验结果。

图5 上下游比降与流量的关系(方案F1)Fig.5 Relation between gradient and flow of upstream and downstream (scheme F1)

5 超声波解堵试验成果分析

对F1、F2及F3三种方案下已淤堵的减压井分别采用自主研制的超声波解堵设备解堵。获取方案F1、F2和F3的解堵累计时间-管口出水流量过程线，如图6所示。由图6可知，随着超声波持续作用，井管出水口流量逐渐趋于稳定。如对于方案F1，当超声波解堵累计作用80 min后管口出水流量开始趋于稳定，达到该超声波参数条件下解堵能力极限。方案F2与方案F3超声波解堵作用达到稳定的时间分别为60 min和120 min。

图6 超声波解堵累计时间与管口出水流量过程线Fig.6 Curves of outlet flow against cumulative time of ultrasonic plugging removal

根据F1、F2及F3三种方案淤堵前、淤堵后、解堵后渗透试验的比降-流量关系曲线，统计比降与流量关系曲线线性拟合斜率，如表4所示。由表4可知：

表4 3种方案的比降-流量关系曲线线性拟合斜率Table 4 Linear fitting slope of the relations between gradient and flow for three schemes

(1)超声波解堵后，不同方案条件下比降与流量关系曲线线性拟合斜率均比淤堵后的斜率有所增加，综合渗透性得到提升，表明超声波解堵效果明显。以F1方案渗透试验结果为例，超声波解堵后渗透试验的井管口出水流量Q与渗透比降i呈显著的线性关系，如图5所示。对于F1方案，超声波解堵后比降与流量关系曲线斜率由淤堵后的9.782提高至21.768,可见自主研制的超声波解堵系统能够有效疏通井管排水通道，使得含水层透水性提高。如在比降0.5条件下，井管淤堵后出水口流量减少为4.90 mL/s，经过超声波解堵后流量提高至10.38 mL/s，提升了30.14%，说明同等条件下井管出水口流量有所增加。

(2)方案F1解堵后与淤堵前渗透试验比降与流量关系斜率比为62.12%，此指标可以反映经超声波解堵后的淤堵减压井综合渗透性恢复程度。对于方案F2和F3，渗透试验的比降与流量关系曲线斜率分别从淤堵后的18.371和8.634提高至52.032和30.909，解堵后与淤堵前比降与流量关系斜率比分别为63.56%和96.23%。由此可见，超声波解堵系统能够使淤堵减压井恢复60%以上。

由图6和表4还可知:

(1)方案F2的砂样装样密度比方案F1小，但淤堵前方案F2的比降-流量关系曲线线性拟合斜率(81.859)大于方案F1的(35.044)。这是因为方案F2砂样装样密度小，其含水层系统孔隙率较大，透水性较强，淤堵前排水减压效果好。发生倒灌淤堵后，方案F2的淤堵后与淤堵前比降-流量关系曲线斜率比为22.44%，小于方案F1的27.91%，说明方案F2试样淤堵程度更高，综合渗透性更小。2种方案解堵后与淤堵前比降-流量关系曲线斜率比接近，表明装样密度对超声波解堵程度影响不显著。但在较小的试样密度条件下，方案F2超声波解堵作用稳定时间为60 min，能在较短的时间内达到同等解堵效果。

(2)对比方案F1和F3，提高超声波解堵过程中驱动水力比降后，方案F3的解堵作用达到稳定的时间延长了40 min，解堵后与淤堵前比降-流量关系曲线斜率比为96.23%，明显高于方案F1的62.12%，表明提高驱动水力比降能增加超声波解堵作用效果。原因在于解堵过程中在较大的驱动水力比降下，更易于带动剥离的淤堵细颗粒从含水层内析出，从而增强了超声波解堵能力。

6 结 论

本文提出了一种适用于堤坝减压井清洗的超声波解堵系统，自主研制了超声波解堵设备。在室内大型渗透仪中模拟了减压井倒灌淤堵，并通过常水头渗透试验研究了减压井超声波解堵技术的作用效果，开展了砂样密度和驱动水力比降对超声波解堵效果的影响研究。主要得出以下结论：

(1)减压井管口发生倒灌淤后将导致试样含水层系统发生堵塞，含水层渗透性降低，井管出水流量降低，排减水压力能力减弱。

(2)自主研制的超声波解堵系统能够使淤堵颗粒物从含水层脱落、剥离，在驱动水力比降作用下从井管过滤器析出，有效疏通井管排水通道，使得解堵后渗透试验的比降与流量关系曲线斜率比淤堵后有所增加。超声波作用后减压井含水层综合渗透性得到提升，出水口流量增加，减压能力增强，解堵效果明显，可使淤堵减压井功效恢复60%以上。

(3)装样密度减小后，砂样孔隙率增加，淤堵前排水减压能力较强，但是发生倒灌淤堵后，试样淤堵程度更高。装样密度对超声波解堵程度影响不显著，但在较小的装样密度条件下，超声波能在较短的时间内达到同等解堵效果。

(4)超声波解堵过程中在较大的驱动水力比降下，更易于带动剥离的淤堵细颗粒从含水层内析出，提高驱动水力比降能增加超声波解堵作用效果。

(5)本文试验主要针对倒灌淤堵这一单一淤堵形式进行试验研究，实际工程中造成减压井淤堵多为综合性淤堵，还包括生物、化学等淤堵形式，其针对综合性淤堵解堵功效还有待进一步研究。