污染场地原位修复双通道分层注入钻具的设计与应用分析

郑瑾，艾绍磊，3，张利宾，3，李兴春，杜显元，高春阳

（1.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室；2.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；3.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，北京 102206）

1 前言

近年来，我国土壤环境总体情况不容乐观。进入2021 年，全国土壤详查工作已经完成，工作重点将转入防控与治理，土壤修复需求进一步提升。目前，污染场地修复技术主要包括异位修复和原位修复2 种技术。其中异位修复技术需要搬运土壤并抽取地下水，土方开挖、搬运工作量较大，对岩土环境破坏程度大，且开挖的污染土壤或抽取的地下水需要二次处理才能去除其中污染物，其流程复杂、成本高。原位修复技术无需建设昂贵的地面环境工程设施或对污染物进行远程运输，便可使污染物降解或去除，操作维护简单，更为环保、经济。

原位修复技术中的直推式注入法因具有灵活性高，易于优化注入点等优点，成为国内外研究和工程实践应用中常用的修复药剂投加方式。但是在现场应用中也存在一些问题，如药剂注射完成后，拔出注入钻具后易形成药剂回流富集，并且需要多次注入药剂时原注入孔可能塌陷或扩大，土壤松动，再次注入容易冒浆，另外，注入钻具设计普遍采用一种药剂注入，常用的化学氧化剂和活化剂在注入前即发生反应，使得未与污染物接触就已经消耗，影响了药剂对土壤或地下水中污染物的修复效果。为了解决上述问题，本文设计了一种适用于原位修复直推式注入法的分层注入钻具。

2 钻具结构及工作原理

2.1 钻具结构

如图1 所示，该钻具为三重管结构，主要由注入接头、外管、中管、内管、封隔器及钻头组成。外管下端与钻头连接，外管上端与中管注入接头固定，且两者之间可以增加等长的外管；中管注入接头与封隔器相连，且两者之间可以增加等长的中管；中管与内管之间的环形空间为药剂通道。上端封隔器与下端封隔器之间设计有节流器。内管注入接头与内管之间设计有单流阀，两者之间同样可增设等长的内管，最下端内管穿过连接头，提供气体通道。每节外管上设有4个药剂喷嘴，最下端内管上设有4个气体喷嘴，喷嘴360°均匀分布在圆周上。

图1 钻具结构示意图

2.2 工作原理

工作时，该钻具药剂供给的动力通过配备的注液泵来实现，气体供给的动力通过空压机来实现。该钻具的钻杆下压的动力通过直推式钻机提供动力，首先将外管压入土壤层指定深度，然后依次安装连接头、封隔器、节流器、中管、内管、单流阀等，接着安装中管注入接头、内管注入接头，最后从修复橇上的供液口、供气口通过软管线与该钻具的药剂注入口、气体注入口相连接。注入药剂时，药剂通过注入接头依次进入中管、封隔器后，在封隔器腔体开始憋压，当达到一定压力时，封隔器上下胶筒迅速膨胀，从而使胶筒与外管内壁紧密贴合，形成封闭的环形空间，完成座封。随着压力的继续增大，节流器上的出口被打开，药剂进入环形空间，最终从外管指定深度的药剂喷嘴喷出。注入完毕后，只需泄掉中管内部的压力，即可完成钻具中封隔器的解封。

注入空气时，空气经内管通道上的气体喷嘴喷出，通过外管上的药剂喷嘴进入土壤层。当一层注入完成后，将封隔器向上提升到达另一层的注入口，此时空气通过之前的外管药剂喷嘴进入相应的土壤层中。通过往复提升或下放封隔器来实现分层，将药剂注入不同深度的土壤污染源，同时还可以根据不同的污染程度注入不同的化学或生物药剂量。

3 设计理论与材料选择

3.1 设计参数

（1）药剂介质：化学氧化、还原药剂和微生物菌剂；

（2）药剂注入压力：0~17MPa；

（3）药剂注入流量：0~60L/min；

（4）气体介质：空气、氧气；

（5）气体注入压力：0.8MPa；

（6）气体注入流量：0~480L/min；

（7）适用土层：砂土层、粉土层或低渗透的粉质黏土层。

3.2 材料选择及处理

（1）三重管材质：45#钢，钻头材质：42CrMo。根据3.1 的设计参数，选定钻具最大承载压力为17MPa；

（2）封隔器：采用扩张式封隔器，胶筒耐温要求：0~150°C；

（3）为了降低加工成本，钻具的三重管均选用标准型材，其中外管外径：ф89mm、中管外径：ф66mm、内管外径：ф28mm；

（4）钻具表面具有较好的光洁度和抗腐蚀能力，所有管道内外表面粗糙度均为6.3，外表面光滑，可减小钻具提升或下放的摩擦阻力；同时内外表面经过镍磷镀处理，该工艺形成的镀层膜具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强的优点。

3.3 钻具壁厚的计算

根据GB50316《工业金属管道设计规范》，壁厚计算公式

t1---理论壁厚，单位mm；

t---计算壁厚，单位mm；

P---压力，单位MPa，取P=17MPa；

D---钢管外径，单位mm，依次取D外=89mm，D中=66mm，D内=28mm；

--- 基本许用应力，查GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》，45#钢的许用应力，取安全系数3，得出=200MPa；

---焊缝系数，无缝管取=1；

Y---系数，根据GB50316《工业金属管道设计规范》表6.2.1，取Y=0.4；

C1---材料厚度负偏差，单位mm；

---管子壁厚负偏差百分数，取12.5%；

C2---腐蚀或磨蚀附加量，单位mm，双面腐蚀，取C2=2mm；

C3---螺纹加工深度裕量，单位mm，取C3=3mm；

代 入 已 知 数 据，依 次 可 得 出：t外=7.13mm；t中=6.58mm；t内=5.67mm。

因此，只需选择壁厚大于上述计算值的标准管材，即可满足设计要求。

4 主要技术特点

（1）设计了双通道注入方式，药剂和气体可同时注入，药剂可通过高压注入，提高扩散半径；气体的注入不仅可以松动土壤，辅助药剂的注入，而且还可以增加土壤和地下水中的溶氧量，加强好氧微生物的生物降解作用，使微生物药剂更好的发挥作用，从而提高原位修复的效率。

（2）钻具外管可防止原注入孔塌陷，内置封隔器在外管内根据注入要求提升或下降至指定深度，对污染的土壤实现分层注入，减少药剂冒浆和回流，合理控制药剂的使用量，避免过度修复。

（3）现场应用省去了建井环节，一次注入药剂量不能彻底修复时，只需下放中管、内管就可进行二次注药，待彻底修复完成时再取出注入钻具。所有部件可重复利用，极大地节约了成本。

5 现场应用

试验选取在河北省某废弃油库场地进行了钻具的地上药液喷射和地下药液注入试验，并且考察了工作过程的压力、流量及药液辐射范围，为后续现场应用提供了数据参考。

5.1 钻具地面喷射效果

为了测试注入钻具在不同黏度液体喷射过程的影响，利用自来水和黏度为350 cP（约5g/L 羧甲基纤维素钠溶液）的溶液开展地面喷射试验。试验时将钻具垂直固定在油库边界栏杆上（如图2），钻具喷射口距离地面约1m，以钻具喷射孔为圆心，依次标注半径为1~10m 的距离。压力从0.5 MPa 开始，按照0.5 MPa 的间隔逐渐增压，直到压力和流量稳定，不再随设置压力继续增加；随后进行从高到低间隔0.5 MPa 的降压操作，此过程中记录设置压力、实际压力、液体流量、液体地面喷射距离，考察钻具喷射不同黏性液体时的稳定性，结果如图3。

图2 地面喷射试验效果

图3 地面喷射不同黏度液体的参数变化

从图中可以看出，当钻具在地面喷射清水时，喷射距离随着设定压力的增加而增加，同时流量也随之增加，当流量达到最大时，实际压力不再增加，喷射距离也不再增加。从图中数据显示，地面喷射距离达到4.5m，最大流量达到56 L/min，最大压力达到3MPa。当试验介质为黏性液体时，压力与流量以及喷射距离的变化规律相似，但在最大流量相同的情况下，地面喷射距离（达到5m）提高约10%，最大压力（达到3.4MPa）提高约13%。因此，地面喷射最大压力和流量为3.5MPa 和56L/min，增加液体黏度，喷射压力和距离均有所提升，喷射过程稳定。

5.2 钻具地下注入效果

配置15% NaCl 溶液，利用钻具以压力3MPa，流量55L/min 左右开展原位注入试验，在取样注入点不同扩散半径范围，随机设置5个取样点，通过测定土壤电导率来判定原位注入药剂的影响半径情况。取样点在注入中心周围0.5m（a）、1m（b）、1.5m（c）、2m（d）、3m（e）分别随机取1个取样点，每个取样点的取样深度为11m（如图5）。在注入点分别在0.5m、2m、3.5m、6m 和9m 深度注入100L、100L、100L、200L、300L，试验中注入点和取样点布置图见图4。

图4 试验中注入点和取样点布置图

盐溶液注入后，土壤样品电导率随地层变化情况如图5 所示，结果表明：在0.5m、2m、3.5m 注入相同的药剂量（100L），均能水平辐射到1.5m 的位置，说明不同方向的注入较为均匀，垂直方向的渗透范围在±（0.5~1）m 的范围内。其中2m 和3.5m 的注入可以辐射到2m 的位置。在深度6m 和9m 分别增加注入量，结果发现注入量越大，扩散范围越大，电导率值越高，这说明药剂在土壤中的浓度越大，药剂浓度在1m 远的范围最高，推断此处的药剂浓度较高。因此从注入结果来看，所研制钻具的药剂注入较为均匀，水平辐射范围在0~2m，垂直渗透范围在0.5~1m。

图5 土壤样品电导率随地层变化情况

距离注入点0.5m、1m、1.5m、2m、3m 分别为a~e 取样点测定的数据；蓝色虚线为土壤空白对照电导率值，黄色区域为理论注入100L 溶液，橘红色区域为理论注入200L 溶液，红色区域为理论注入300L 溶液。

6 结论与展望

（1）适当增加药液的黏性可提高药剂的喷射距离，地面喷射最大压力和流量为3.5MPa 和56L/min，增加液体黏度，喷射距离均有所提升，喷射过程稳定。

（2）所研制钻具的药剂注入较为均匀，水平辐射范围在0~2m，垂直渗透范围在0.5~1m。

（3）该钻具借鉴了水平井分段压裂的原理，整体设计合理，能够在原位修复中实现分层、定量注入药剂或者气体，减少药剂冒浆和回流，提高药剂的注入效率，避免出现过度修复，且无需建注入井，极大地降低了土壤修复的成本，具有广阔的应用前景。