摘要: 针对常规水井酸处理法增产效果有限、对地下水污染严重的问题,提出了水井酸处理

的周期性负压法. 该方法通过产生周期性负压,不断向裂隙中压入井筒里活性较强的酸液,并

及时清除裂隙中的反应产物,因而使用一次周期性负压法,具有多次常规酸处理加物理洗井

的增产效果;同时它利用周期性负压和少量多次注酸,限制水井酸处理的污染范围,降低对地

下水的污染程度. 使用结果表明:与常规水井酸处理法相比,水井酸处理的周期性负压法可使

水井酸处理效果平均提高186 % ,酸处理后的污水排出量减少59 % . 另外,该方法简便易用,

使用成本低,可广泛推广应用.

关键词: 水井酸处理;效果;污染; 周期性负压.

中图分类号: X703 ;P641 　　　　文献标识码: A

文章编号: 1000 - 2383 (2002) 02 - 0189 - 04

作者简介: 韩乾坤(1962 - ) ,男,高级工程师,现为中国地质大学(武汉) 在读博士生,主要从

事水资源开发与管理的生产和科研工作.

 

　酸处理是以低渗透碳酸盐岩地层为主要含水层水井(以下简称低产碳酸盐岩井)的最有效增产技术. 不过,水井酸处理一般需要几t 到十几t 盐酸,会产生大量污染产物,污染大量地下水. 过去的水井酸处理方法基本没有考虑酸处理带来的污染问题,酸处理造成的污染较严重. 为此,作者提出水井酸处理的周期性负压法,既显著地提高了水井酸处理增产效果(以井的单位涌水量增加值来表示) ,又有效地降低了水井酸处理的污染程度.

1 　传统水井酸处理法存在的问题

1. 1 　酸处理对地下水污染严重

传统的水井酸处理对地下水的污染主要表现在以下3 个方面: (1) 产生大量的污染产物. 酸处理的主要产物是CaCl2 和MgCl2 . 由于它们数量很大,且水溶液都带一定的颜色,被污染的地下水的使用功能大大降低. 例如,1 t 30 %盐酸与石灰岩反应可产生456 kg 的CaCl2 或2. 28 t 20 %的CaCl2 溶液. 一般酸处理要用5～15 t 30 %盐酸,这样就会产生Ca2Cl22. 28～6. 84 t 或11. 4～34. 2 t 20 %的CaCl2 溶液. 另外,酸处理后井中还有一定数量的残酸. (2) 形成很大的污染范围. 传统的水井酸处理法,连续压酸使酸及酸处理产物压到很远处,从而产生很大范围的污染. 据计算,一个被处理的碳酸盐岩含水层厚度为20 m ,裂隙率为0. 2 % ,酸处理用酸量为8 t 30 %盐酸,假设酸进入裂隙后浓度下降50 %(15 %盐酸

密度为1. 07 t/ m3) ,连续压入8 t 30 %盐酸的酸处理污染平均半径将达11 m ,这个值约为水井酸处理有效作用半径的4 倍. (3) 酸处理后需排出大量的污水. 尽管酸处理产物一般只有数t ,如对酸处理过的井洗井,有时排出数千m3 污水后,井水仍达不到饮用水水质标准;这是因为连续压酸形成了很大的污染范围,其中绝大部分在酸处理有效作用范围以外,这部分裂隙宽度并未加大,这里地下水流速很慢,携带能力很差,无法使裂隙中酸处理产物迅速携带到井筒中. 另外,含水层以下裂隙中地下水循环很慢,也很难在短时间内把其中的酸处理产物携带到井筒中. 为了便于对比,把酸处理后、井中水质达到饮用水水质标准前的井中抽水量,称为水井酸处理后的污水排出量.

1. 2 　酸处理增产效果不理想

从井流的流网特征看,由于井筒附近过水断面小,大部分水头损失都将集中在这里,低产碳酸盐岩井井筒附近水头损失集中现象更为明显,所以只要井筒附近含水层的渗透性有了显著提高,井的出水能力就会显著提高[1 ] . 实际资料[2 ] 表明,水井中一般裂隙宽度都小于0. 2 cm. 据石油界有关试验结果[3 ,4 ] ,酸在这些裂隙中的有效作用距离一般都小于3m ,因而酸处理的有效作用范围也只能在井筒附近. 传统的连续压酸水井酸处理方法,不可能把酸沿着多数小裂隙压到更远处,对于含水层裂隙堵塞严重的井,甚至无法压到多数小裂隙的较深部. 相反,连续压酸可使大部分酸沿着少数大裂隙流向很远处,这对于提高井筒附近含水层的整体渗透性作用不大,且消耗大量酸. 可见,传统的水井酸处理法酸的有效利用率很低,因而酸处理效果不理想,一般只能使水井的单位涌水量增加0. 5～2 倍,而且由上面的分析可知,这种方法还会对地下水产生严重的污染. 为此,作者提出水井酸处理的周期性负压法.

图1 　水井酸处理周期性负压法技术原理示意图

Fig. 1 Principle of well acidation with periodic negative pressure

1. 注酸管;2. 活塞;3. 酸液;4. 石灰岩;5. 隔水层;6. 含水层裂隙;7. 堵塞物;8. 可溶性酸处理产物;9. 不可溶性酸处理产物;10. 地下水位

 

 

 

2 　周期性负压法的降污增效原理

为了减小水井酸处理污染范围,水井酸处理的周期性负压法采用“少量多次”注酸,但是这样会造成大部分酸留在井筒中. 另外,碳酸盐岩含水层裂隙壁和大部分堵塞物都能与酸反应并被溶解[1 ] ,且裂隙宽度很小,面容比很大;因而注酸一段时间后,裂隙中的酸液基本上失去了活性,裂隙中充满了反应产物. 同时由于井筒中面容比很小,井筒中酸与碳酸盐岩反应的消耗量很小,井筒中酸液仍保持很强的活性. 如图1a 所示,水井酸处理的周期性负压法(简称周期性负压法) 在被处理含水层段井筒中,利用活塞或负压发生器推动上部液体上升,降低这段井筒中的压强,使井筒中压强小于裂隙中的液体压强,即在井筒中产生负压.在这种负压作用下,裂隙中的可溶反应产物及部分不溶反应产物即可随裂隙中气水混合物进入井筒中,裂隙中的液体压强也将随之减小. 井筒中负压解除后,由于裂隙中液体流速很慢,不能由裂隙内及时补充进液体而提高压强,因而这时井筒中压强将大于裂隙中的压强,如图1b 所示.在这个压差及活塞下行压力的作用下,井筒中活性很强的酸液将随之被压入裂隙中. 第一次负压产生后,每隔一段时间就再产生一次负压,先清除裂隙中所产生的反应产物,再向裂隙中压入井筒里活性较强的酸液. 在被处理含水层段每产生一次负压,就相当于一次常规酸处理加一次物理洗井. 如此反复进行,即产生周期性负压,可使一次注酸起到多次注酸加多次物理洗井的效果. 周期性负压法一般要进行多次注酸,最终会在井筒附近较大范围内形成一个强渗流带,使井的出水能力显著提高. 从降低酸处理污染的角度看,首先,周期性负压使进入井筒中的酸得以充分利用,并使酸的作用范围限制在井筒附近,从而提高了酸的使用效率,这样就大大减少了相同增产效果下的用酸量,自然也减少了酸处理产物;其次,周期性负压和少量多次注酸避免了酸及酸处理产物持续向外扩散,从而大幅度地减少了酸处理的污染范围;另外,周期性负压减小酸处理污染范围,并把裂隙中的反应产物及时带入井中,从而降低了酸处理产物的清除难度,可大幅度地减少酸处理后污水排出量及洗井时间,有效地减少了地下水资源的浪费. 所以,与常规水井酸处理法相比,周期性负压法对地下水污染程度明显降低.

3 　周期性负压法的实施

水井酸处理的周期性负压法实施主要分以下两步进行:

3. 1 　少量注酸

由于一次性注酸污染严重,因而周期性负压法采用“少量多次”注酸;为了提高酸处理效果,水井酸处理应当用原酸[4 ] ,一般为28 %～30 %的工业用盐酸;每次注(30 %) 盐酸量可由下式确定[1 ] :

W1 =ρa ( Vw + Vf) =1. 15πD2 M4+πR2 Mγ4=　0. 9 M ( D2 + R2γ)

式中: W1 为每次注酸量, t ; M 为被处理含水层厚度,m; D 为被处理含水层段井径,m; R 为酸处理有效作用半径,一般取2～3 m;γ为被酸处理含水层段的裂隙率,无量纲.

3. 2 　产生周期性负压配合水井酸处理

产生周期性负压的方法很多,在一般井中可用活塞产生周期性负压,在超深井或热水井中可用井中负压发生器产生周期性负压. 如用活塞产生周期性负压,一般就用注酸时封闭被处理含水层段的活塞. 拉活塞一定要先上行后下行,上行速度应尽可能快,以便迅速产生较强的负压,把裂隙中的反应产物较彻底地清除;稍停一段时间(约1 min) 后,活塞下行. 第一次拉活塞一定要等井中酸- 岩反应速度趋缓时进行,以免拉活塞时酸随着CO2 气体涌出井外. 第一次拉活塞后,每隔一段时间(灰岩类1 h ,白云岩类2 h) 后再拉一次活塞. 每次拉活塞都要遍及所有被处理含水层. 拉活塞2～4 次后即可结束一个酸处理阶段.第一个酸处理阶段结束后,接着进行第二个酸处理阶段,经过2～3 个酸处理阶段后,可封闭被处理含水层顶板,进行短暂的压水试验,以检验酸处理效果,压水时间不要太长,以免把酸处理产物压向过远处,加大酸处理污染范围,一般10～20 min 即可.如果井的涌水量达到了要求,即可停止酸处理; 否则,继续注酸处理.在酸处理结束时,应在井中水位以下段再拉一遍活塞,清除水井所有裂隙中大部分酸处理产物. 另外,酸处理结束时应尽量把水泵下深些,以便尽快清除井下部的酸处理产物,减少酸处理后污水排出量.

4 　周期性负压法的应用效果

现从增产和降污两方面讨论周期性负压法的应用效果.

4. 1 　增产效果显著

由于每产生一次负压相当于进行了一次常规酸处理和一次物理洗井,每个酸处理阶段就相当于多次常规酸处理加多次物理洗井. 一般每次酸处理都有不少于2 个酸处理阶段. 实践证明,周期性负压法增产效果比常规酸处理法好得多. 据不完全统计,自1996 年作者提出周期性负压法以来,国内26 家水井施工单位采用该方法处理96 眼低产碳酸盐岩井,大部分井单位涌水量增加了2 倍以上,平均增产效果是常规酸处理法的2. 86 倍以上(表1) .

 

4. 2 　降污效果明显

根据周期性负压法降污增效原理,周期性负压可以产生3 个方面的降污效果:减少了相同增产效果下的用酸量及酸处理产物;限制了酸和酸处理产物的扩散范围;降低了清除裂隙中酸处理产物的难度. 实践表明采用此法处理的井每注1 t 相同浓度盐酸的平均污水排出量,比采用其他酸处理法处理的同类井减少了59 %(见表2) ,也就避免了上千m3甚至上万m3 地下水作为污水排出. 表2 是作者在河南三眼酸处理井中进行的对比试验结果.

4. 3 　应用举例

河南省登封市向阳矿的一眼供水井,主要含水层为白云岩. 由于多种因素影响,刚凿成时井的单位涌水量仅为0. 03 m3/ h·m ,含水层厚度28 m ,含水层段井径0. 30 m ,酸处理有效作用半径取3 m ,含水层段的裂隙率约为0. 12 %. 这样,每次注酸量为:

W1 = 0. 9 M ( D2 + R2γ) =　0. 9 ×28 (0. 32 + 32 ×0. 12 %) t = 2. 56 t .考虑到该井出水能力太差,作者用8 t 30 %盐酸,分3 次注入. 每次注酸后隔2 h 拉一次活塞,每个阶段都拉了3 次活塞,结束前还用活塞把井中水位以下段通拉了一遍. 酸处理后,井的单位涌水量达到0. 38 m3/ (h·m) ,增加了11. 7 倍;污水排出量只有1 280 m3 . 当地用常规酸处理方法处理条件类似的井,一般单位涌水量增加值只有0. 5～2 倍,污水排除量都在3 000 m3 以上.

5 　结论

(1) 与常规水井酸处理法相比,水井酸处理的周期性负压法可减少相同增产效果下的用酸量及酸处理产物,限制酸处理的污染范围,减小酸处理产物的排出难度,大幅度地减少酸处理后污水排出量. (2)水井酸处理的周期性负压法可以显著地提高水井酸处理的增产效果. (3) 使用结果表明:与常规水井酸处理法相比,水井酸处理的周期性负压法可使水井酸处理效果平均提高186 % ,酸处理后的污水排出量减少59 %. (4) 该方法简便易用,不需任何专用设备,使用成本低,加之效果好、污染小,因而可广泛推广应用.

 

 

本文研究中得到了蔡鹤生教授、左敬勋博士和

马传明博士的帮助,谨此致谢!

  作者:韩乾坤1 ,2 ,靳孟贵1 ,常振松2

(1. 中国地质大学工程学院,湖北武汉430074 ;2. 河南省新密市水利局,河南新密452370

 

参考文献:

[1 ] 韩乾坤. 基岩井涌水量增大技术[M] . 郑州:黄河水利出

版社,1996. 11.

HAN Q K. Technologies to increase well discharge forhard2rock aquifers [M] . Zhengzhou : Yellow River of Water Resources Press , 1996. 11.

[2 ] 区永和,陈爱光,王恒纯. 水文地质学概论[M] . 武汉:中

国地质大学出版社,1988. 89.

OU Y H , CHEN A G, WANG H C. General hydrogeology [M] . Wuhan : China University of Geosciences Press ,1988. 89.

[3 ] 郭元庆,刘国斌. 气井酸化读本[M] . 北京:石油工业出版社,1997. 72.

GUO Y Q , L IU GB. Acid treatment for gas wells [M] .Beijing : Petroleum Industry Press , 1997. 72.

[4 ] Michael J E , Kenneth G N.油藏增产技术[M]. 张宏逵,翁家乡,杨义连,