野戰(zhàn)條件下快速洗井抽水裝置的研制

呂光輝，訾兵，敖春來(lái)，何立新

(1.中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)，寧夏銀川 750021;2.寧夏地質(zhì)工程院，寧夏銀川 750021;3.中國(guó)人民解放軍91053部隊(duì)，北京 100070)

野戰(zhàn)條件下快速洗井抽水裝置的研制

呂光輝1，訾兵2，敖春來(lái)1，何立新3

(1.中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)，寧夏銀川 750021;2.寧夏地質(zhì)工程院，寧夏銀川 750021;3.中國(guó)人民解放軍91053部隊(duì)，北京 100070)

根據(jù)野戰(zhàn)條件下快速成井的要求，研制了一種快速洗井抽水裝置。介紹了該裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)鉆井與洗井分離，具有效率高、操作方便，可適用于200 m以淺的新井和舊井的洗井。

快速洗井;抽水;活塞洗井

我國(guó)是個(gè)淡水資源缺乏的國(guó)家，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，尤其是西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)地下水的需求量越來(lái)越大［1］。民用及野戰(zhàn)給水的大量需求對(duì)水文水井鉆進(jìn)提出了更高的要求。隨著未來(lái)技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)攻防轉(zhuǎn)換的不斷加快，給水工程保障的困難也隨之不斷增加，并直接關(guān)系到作戰(zhàn)部隊(duì)的存亡和戰(zhàn)役的勝敗。特別在我國(guó)西部地區(qū)，氣候干燥，自然降雨和地表水源極為稀少，導(dǎo)致部隊(duì)演練和備戰(zhàn)行動(dòng)的給水保障極為困難。常因臨時(shí)駐地、陣地?zé)o生活水源，需專門(mén)派車到十幾千米甚至幾十千米外拉水，直接影響了部隊(duì)的隱蔽和作戰(zhàn)行動(dòng)。如何快速就地取水，一直是困擾供水部隊(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題［2］。

在水文鉆井中，鉆井結(jié)束后需要對(duì)所鉆的新井進(jìn)行洗井，洗井的方法之一是活塞洗井，其工作原理是通過(guò)洗井活塞在井管內(nèi)連續(xù)上下提動(dòng)，造成井內(nèi)局部瞬時(shí)負(fù)壓，破壞井壁泥皮，疏通含水層孔隙，使管井達(dá)到使用要求。

現(xiàn)有的技術(shù)手段是將洗井活塞通過(guò)鉆桿連接安裝到鉆機(jī)上，通過(guò)鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿上下提動(dòng)活塞，完成洗井作業(yè)。目前，我軍給水部隊(duì)還沒(méi)有專用洗井抽水設(shè)備，洗井及抽水試驗(yàn)均由鉆機(jī)完成。地表建有構(gòu)筑物的管井只能用吊車或簡(jiǎn)易三角架進(jìn)行處理，這些方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，效果也很差，甚至?xí)霈F(xiàn)井內(nèi)事故，導(dǎo)致管井和抽水設(shè)備損壞甚至報(bào)廢。針對(duì)上述問(wèn)題，我們研制了野戰(zhàn)快速洗井抽水裝置。

1 設(shè)備概況

野戰(zhàn)洗井抽水裝置主要用于管井構(gòu)筑過(guò)程中的洗井及各種汲水設(shè)備的安裝撤收等。該裝置采用鋼絲繩提放活塞進(jìn)行強(qiáng)力洗井，利用射流式潛水泵作抽水試驗(yàn)，全部洗井作業(yè)只需4～6人操作，可獨(dú)立于鉆機(jī)完成管井構(gòu)筑施工中洗井、抽水試驗(yàn)等工作，鉆機(jī)無(wú)需在原井位待命，即可轉(zhuǎn)至下一孔位進(jìn)行鉆井作業(yè)，從而使鉆井與洗井工藝分離，大大提高鉆井、洗井效率。在戰(zhàn)時(shí)和大規(guī)模的構(gòu)筑管井作業(yè)時(shí)，可使給水部隊(duì)的保障能力提高1倍以上。主要用于200 m以淺各種口徑鋼管和鑄鐵管的洗井任務(wù)。

2009年5月，經(jīng)國(guó)家科學(xué)技術(shù)部寧夏回族自治區(qū)科學(xué)技術(shù)信息研究所科技查新，國(guó)內(nèi)無(wú)同類研究或成果。該裝置于2010年通過(guò)寧夏回族自治區(qū)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督站檢驗(yàn);2010年6月申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)(201010220555.0)并獲得實(shí)用新型專利2項(xiàng)(ZL201020251389.4;ZL201020251390.7)。

2 設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)

野戰(zhàn)洗井抽水裝置主要由固定底座、電氣控制柜(變頻器)、排線器、起重臂、計(jì)數(shù)器、卷?yè)P(yáng)機(jī)、提筒式雙活塞等組成(見(jiàn)圖1)。該裝置利用PLC程序控制器對(duì)提升設(shè)備相關(guān)洗井動(dòng)作進(jìn)行程序控制;采用變頻器設(shè)定和改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以控制洗井活塞的速度，通過(guò)計(jì)數(shù)裝置設(shè)定和測(cè)量洗井深度、長(zhǎng)度和洗井次數(shù)等參數(shù)。

圖1 野戰(zhàn)洗井抽水裝置工作狀態(tài)圖

3 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度:0～0.5 m/s(可根據(jù)施工需要調(diào)整)

卷?yè)P(yáng)機(jī)提升力:30 kN(單繩)

洗井深度:≤200 m

卷?yè)P(yáng)機(jī)容繩量:250 m

吊臂提升高度:6 m(距地面)

總質(zhì)量:3.8 t

動(dòng)力來(lái)源:380 V外接電源

4 原理和方法

4.1 洗井原理

(1)水位較深時(shí)，為提高效率，以分段洗井為主，從下向上，活塞洗完井后用泵抽清，根據(jù)情況再分段反復(fù)。

(2)水位較淺時(shí)，可直接進(jìn)行全孔洗，個(gè)別情況可根據(jù)需要進(jìn)行分段洗井。

(3)換漿不徹底、未曾破壁的水井及實(shí)際出水量較小的水井，可采用“水錘法”(或注水、注酸輔助)洗井。

4.2 洗井控制

洗井裝置的提升設(shè)備和電器系統(tǒng)配套使用，采用PLC程序控制器對(duì)提升設(shè)備相關(guān)洗井動(dòng)作進(jìn)行程序控制，采用變頻器可設(shè)定和改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以控制洗井活塞的速度，通過(guò)計(jì)數(shù)裝置可設(shè)定和測(cè)量洗井深度、長(zhǎng)度和洗井次數(shù)等參數(shù)。

為保證“野戰(zhàn)洗井抽水裝置”的正?？煽抗ぷ饕约安僮骱涂刂品奖悖麄€(gè)系統(tǒng)的控制器采用總控制器和手持控制器并存的方式，并可隨意切換。詳見(jiàn)圖2。

圖2 野戰(zhàn)洗井抽水裝置控制器示意圖

一般情況下采用總控制器控制，洗井操作中采用手持控制器進(jìn)行控制，手持控制器與總控制器之間采用線纜連接，兩者之間有嚴(yán)格的邏輯控制關(guān)系，確保不相互干涉和影響。

4.3 操作程序

4.3.1 全孔洗井

4.3.1.1 手動(dòng)洗井

由手動(dòng)控制器控制上下行程，深度控制器控制下放深度不超過(guò)洗井深度，上提不超過(guò)原點(diǎn)。

為確保洗井施工安全，每眼井進(jìn)行第一次洗井時(shí)必須進(jìn)行手動(dòng)洗井5次后方可轉(zhuǎn)入自動(dòng)洗井界面。見(jiàn)圖3。

圖3 野戰(zhàn)洗井抽水裝置自動(dòng)洗井操作界面

4.3.1.2 自動(dòng)洗井

需輸入信息:井管長(zhǎng)度(每根濾水管有效長(zhǎng)度，每根井管上下兩端需各減去0.5 m不洗)、井深(選擇范圍0～200 m)、洗井次數(shù)(每次全程提拉活塞一次最佳時(shí)間間隔控制)。

以200 m洗井為例:

第一步:輸入井管信息;

第二步:輸入洗井深度(自動(dòng)減除0.5 m);

第三步:啟動(dòng)自動(dòng)控制器，卷?yè)P(yáng)機(jī)自動(dòng)下放活塞至洗井深度199.5 m則不能在向下放，略停，自動(dòng)上提，進(jìn)行上提動(dòng)作，上提至原點(diǎn)(依據(jù)實(shí)際情況自定)則不能動(dòng)作只能下行。

4.3.2 分段洗井

需輸入信息:

(1)井管:每根過(guò)濾管長(zhǎng)3 m，有效長(zhǎng)度2 m(每根井管上下兩端需各減去1 m不洗)。

(2)井深:200 m(0～200)。

(3)洗井位置分N段，第一段:X1米至Y1米，第二段X2至Y2米，第N段XN至YN米。

(4)洗井次數(shù)。

分段洗井信息輸入界面見(jiàn)圖4。

圖4 野戰(zhàn)洗井抽水裝置分段洗井信息輸入界面

4.4 洗井方式

全孔洗井就是采用鋼絲繩提引的方法在管井內(nèi)由下至上對(duì)全孔段井管(不區(qū)分含水層和非含水層)進(jìn)行提筒式雙活塞洗井。

分段洗井就是采用鋼絲繩提引的方法在管井內(nèi)由下至上只對(duì)濾水管(含水層)進(jìn)行提筒式雙活塞洗井。

綜合洗井就是采用鋼絲繩提引的方法在管井內(nèi)由下至上分別對(duì)全孔段井管和濾水管交替或先后進(jìn)行提筒式雙活塞洗井。

“水錘法”洗井就是當(dāng)活塞在井內(nèi)水中某一位置，讓其突然產(chǎn)生上行速度V1，然后立即讓活塞下行，這時(shí)活塞底部便會(huì)由其上部水柱壓力及慣性水頭形成象“錘”一樣對(duì)活塞下部的一次撞擊，出現(xiàn)向下和四周的震蕩沖擊波，這種鋼絲繩洗井方法對(duì)于水量偏小的水井效果尤為明顯。圖5為“水錘法”洗井工作原理。

4.5 洗井參數(shù)

活塞片外徑:通常應(yīng)小于管井內(nèi)徑(直徑)8～15 mm，分為兩組;采用“水錘法”時(shí)外徑應(yīng)大于井管內(nèi)徑3～5 mm，分為3組。

提升速度:視井用管材、深度等情況適當(dāng)把握，應(yīng)控制在0.3～1.0 m/s。

圖5 “水錘法”洗井工作原理

全孔洗井間隔每10 min一次，每一井段3～10次提拉清洗較為合理。

4.6 安全控制

為減少管井內(nèi)事故的發(fā)生，研制過(guò)程中采取了一些措施:一是每眼井開(kāi)始洗井時(shí)強(qiáng)制要求必須進(jìn)行手動(dòng)洗井至少5次，洗井過(guò)程順利后，才能進(jìn)入自動(dòng)洗程序;二是采用防旋轉(zhuǎn)鋼絲繩;三是該裝置控制臺(tái)設(shè)置有聲光報(bào)警裝置;四是控制器設(shè)有“急?！卑粹o，如出現(xiàn)異常可隨時(shí)進(jìn)行斷電保護(hù)。圖6為野戰(zhàn)洗井抽水裝置故障查看界面。

圖6 野戰(zhàn)洗井抽水裝置故障查看界面

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)該裝置可對(duì)構(gòu)筑管井施工工藝進(jìn)行流程再造，使鉆井設(shè)備與洗井等工作分離，并相對(duì)獨(dú)立，提高了給水部隊(duì)鉆井與洗井的效率和能力。

(2)可使施工周期大幅度減少，在戰(zhàn)時(shí)和大規(guī)模的構(gòu)筑管井作業(yè)時(shí)，相同的時(shí)間內(nèi)給水部(分)隊(duì)構(gòu)筑管井給水站效率將提高近1倍，構(gòu)筑管井給水保障能力大大提高。

(3)構(gòu)筑管井作業(yè)中完成洗井、抽水試驗(yàn)工作和戰(zhàn)備井啟封、濾水管淤堵、水量變小、管井洗井及沉淀清除。并且一臺(tái)洗井裝備可保障1～3臺(tái)鉆機(jī)構(gòu)筑管井施工的需要。

(4)進(jìn)行構(gòu)筑管井給水站施工，可減少人員、車輛、管材、事故處理工具等大量裝備器材，人員、裝備使用率由原來(lái)的75%提高到95%以上。

(5)實(shí)現(xiàn)了洗井的自動(dòng)化、專業(yè)化、程控化，可較大的提高效率、降低成本，特別是配合進(jìn)口動(dòng)力鉆機(jī)使用，洗井階段成本可降低90%。

(6)提高了給水部隊(duì)平時(shí)的給水保障能力，也增強(qiáng)了修復(fù)和啟封野戰(zhàn)管井給水站的能力。

6 應(yīng)用效果

野戰(zhàn)洗井抽水裝置研制成功后，2008、2009年分別在銀川市西夏區(qū)興盛打井隊(duì)、銀川市興盈鉆井工程有限公司、蘭州軍區(qū)聯(lián)勤部鉆井隊(duì)鉆井施工中使用，由于該設(shè)備可以準(zhǔn)確的清洗含水層段過(guò)濾管，實(shí)現(xiàn)了洗井程序化、數(shù)字化控制，避免了人為因素的干擾并且自動(dòng)執(zhí)行洗井設(shè)定參數(shù)，洗井效率高、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2010年在寧夏回族自治區(qū)“百井支農(nóng)富民工程”中投入使用，分別在石嘴山市惠農(nóng)區(qū)紅果子工業(yè)園供水井、蘭州軍區(qū)合同戰(zhàn)術(shù)綜合訓(xùn)練基地供水井的鉆井施工中擔(dān)負(fù)洗井任務(wù)，另外還為寧夏回族自治區(qū)民兵武器庫(kù)供水管井、寧夏軍區(qū)供水管網(wǎng)1號(hào)、3號(hào)井、雷達(dá)52團(tuán)第六雷達(dá)站等單位洗井均圓滿完成了任務(wù)。特別是為蘭州軍區(qū)雷達(dá)52團(tuán)第六雷達(dá)站(鄂托克前旗)供水井洗井(見(jiàn)圖7)，使該站一眼近15年的舊井重新煥發(fā)活力，日出水量達(dá)到1200 t。

圖7 野戰(zhàn)洗井抽水裝置洗井圖片

7 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備可獨(dú)立于鉆井機(jī)進(jìn)行洗井，對(duì)水井施工工藝進(jìn)行流程再造，可提高單井構(gòu)筑管井效率近一倍，極大地拓展和提高了鉆井設(shè)備的作業(yè)效率。實(shí)踐證明其具有較高的軍事、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］吳翔，張濤，鄢泰寧，等.水文水井抽水試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.探礦工程，2001，(4):43－44.

［2］呂光輝，李巍，張士勇，等.干式淺井鉆機(jī)的研制［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(5):43－44.

［3］王景昌.油井洗井方法及車載洗井裝置［J］.油氣田地面工程，2009，(4).

［4］李明，林文彬.水井洗井技術(shù)的探討［J］.西部探礦工程，2008，(8).

［5］金瞰崑，李世峰.洗井的影響因素［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1995，(6).

Development of Pumping Device for Speedy Well Washing in Field Condition

LV Guang-hui1，ZI Bing2，AO Chun-lai1，HE Li-xin3(1.Unit 68612，PLA，Yinchuan Ningxia 750021，China;2.Ningxia Institute of Geo-engineering，Yinchuan Ningxia 750021，China;3.Unit 91053，PLA，Beijing 100070，China)

Because of the demand of rapid well completion in field condition，a pumping device for speedy wall washing was developed.The paper introduced the device about its performance principle，structure characteristics and practice application.Drilling and well washing can be separately operated with high efficiency and convenient operation，the device is suitable to well washing for new and old wells for depth of less than 200m.

speedy well washing;pump water;piston well washing

E951.5

A

1672－7428(2011)11－0044－04

2011－04－28;

2011－10－08

呂光輝(1971－)，男(漢族)，山東人，中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)技術(shù)室中校、工程師，探礦工程專業(yè)，從事野戰(zhàn)給水及鉆探設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)工作，寧夏銀川市懷遠(yuǎn)西路503號(hào)，lgha_91811@163.com。