CN103043862B - 一种基于同步震裂水动力循环的地下水原位修复装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于同步震裂水动力循环的地下水污染原位修复装置，包括两口以上的水动震裂井和一口以上的气动剥离循环井，所述的气动剥离循环井为双层井，井内设置上层筛网和下层筛网，内井连接充气泵，外井连接抽提泵，并通过管道连接井外的气体处理装置；所述的水动震裂井在低渗透性的土层中存在经过水动压裂产生的裂缝层，裂隙中注入压裂支撑剂；裂缝由配对的两口水动震裂井同步水动压裂产生；所述装置还包括水动压裂泵和表面活性剂加药罐等。本发明的装置同步压裂井有效地解决了地下土层孔道狭窄的缺点，气动剥离循环井可在水循环状态下对VOC进行气动剥离，结合表面活性剂同步注入，极大地提高可挥发性有机物的修复能力。
Description
技术领域
本发明属于土壤和地下水修复技术领域，涉及一种土壤或地下水的修复装置，特别是涉及一种基于同步震裂水动力循环的地下水污染原位修复装置。
背景技术
随着环境和人类发展之间的矛盾在各个方面日益突出和尖锐，污染问题也越来越引起人们的重视。当前，我国土壤和地下水污染出现了有毒化工和重金属污染由工业向农业转移、由城区向农村转移、由地表向地下转移、由上游向下游转移、由水土污染向食品链转移的趋势，逐步积累的污染正在演变成污染事故的频繁爆发。而土壤和地下水中的有机污染常常具有种类多、含量低、危害大、难治理等特点，且许多有机污染物具有致癌、致畸、致突变的“三致作用”，对人体健康有严重影响。因此对土壤和地下水污染修复技术的需求也日益迫切。
在地下水有机污染物中，有相当数量的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOC），是地下水污染中一种危害性较大的有机物，对其定量的测定已成为环境部门评价地下水污染程度的重要指标。
现阶段土壤或地下水污染处理或修复的方法主要包括：1）物理法，即用物理的手段对受污染地下水进行治理的一种方法，包括屏蔽法、被动收集法、水动力控制法；2）化学处理法，包括加药法、渗透性处理床技术、冲洗法、土壤改性法等；3）生物修复法，包括生物注射法、有机粘土法等。按修复位置划分，可分为异位修复和原位修复2类。
在处理VOC污染的地下水的方法中，地下水原位曝气（AS）是目前应用较广的技术，它是一项将空气注入到含水层饱和区中，通过空气流的吹脱作用去除挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)，并增强微生物降解效果的创新性原位修复技术。 但是目前的AS地下水修复技术存在一定的弊端，若土层异质性饱和带土层渗透率不好，地下水修复的效果会大打折扣（刘晓娜，程莉蓉，地下水曝气技术(AS)的国内外研究进展，中国安全生产科学技术，卷期号）。
现有技术中AS技术装置不能有效解决AS方法存在的土层渗透性差、水力传输能量损失大、修复效率低下的缺点。总体上，目前我国污染地下水的修复技术和设备大多是异位修复技术和设备，且处在研发和实验阶段，产业化应用很少。国外的相应仪器设备也不能完全符合我国土壤和地下水修复的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足， 提供一种基于同步震裂与水动力循环曝气相结合的原位修复地下水的装置，解决现有的AS装置在修复过程中无法解决土层渗透性差、水力传输能量损失大和修复效率低下的技术问题，本发明的装置可以增强曝气的修复效率，提高原位处理土壤和地下水中可挥发性有机物的修复能力。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于同步震裂水动力循环的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的装置包括水动震裂井、气动剥离循环井、水动压裂泵、压裂支撑剂输送泵和储罐、表面活性剂加药罐和加药落管、充气泵、抽提泵和气体处理装置；所述的水动压裂泵和压裂支撑剂输送泵通过压裂管汇连接至水动震裂井内，压裂支撑剂输送泵连接压裂支撑剂储罐；所述的表面活性剂加药罐连接加药落管，加药落管放入水动震裂井和/或气动剥离循环井内；
所述的气动剥离循环井在污染地下水区域为一口以上，井深穿过污染地下水层到达低渗透性的土层，井内设置上层筛网和下层筛网；气动剥离循环井为双层井，内井连接充气泵，外井连接抽提泵，并通过管道连接井外的气体处理装置；
所述的水动震裂井在污染地下水区域为两口以上，井深到达低渗透性的土层，井下该土层中存在经过水动压裂产生的裂缝层，裂隙中注入压裂支撑剂；裂缝是对任一水动震裂井选定其配对井，对选定配对的两口水动震裂井进行同步水动压裂产生。
所述的装置中，还可以包括一口以上的监测井，用来了解土层结构和地下水污染情况。
所述的同步水动压裂，是指选择两口互相接近且深度大致相同的水动震裂井（水动震裂配对井）水平井间的同时水动压裂。同步压裂是使压力液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法。由于压裂井的位置接近，如果依次对两口井进行压裂，可能导致只在第二口井中产生流体通道而切断第一口井的流体通道。同步压裂能够让被压裂的两口井的裂缝都达到最大化。
所述的装置中，选定配对的震裂井进行同步压裂的距离为15-40m， 水平差不超过1.5m。
本领域技术人员已熟知水动压裂的方法及设备。通常是采用水动压裂泵加压后向井内旋转喷射高压水流，使土层产生裂缝。裂隙产生后，注入压裂剂并携带压裂支撑剂，将压裂支撑剂注入到空隙中以支撑裂隙。
所述水动压裂泵的压力为1200-2000Psi。
所述的支撑剂为粒度为20～40目的沙粒压裂支撑剂。
优选地，所述的装置中污染地下水区域内监测井间距3-15m，水动震裂井间距15-50m，气动剥离循环井间距3-20m。
地下水修复所添加的表面活性剂贮存在表面活性剂加药罐中，并通过加药落管加入水动震裂井和/或气动剥离循环井中。如本领域技术人员所已知的，表面活性剂根据需要，可采用阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂。
所述的气动剥离循环井是双层井，外层井上设置上层筛网和下层筛网，下层筛网由多个筛网环组成，任何一个下层筛网环上附有控制套筒，用于控制地下水的分层循环；内层井下部连接曝气装置。
所述的充气泵的曝气量为10-3000ml/min。
有益效果：本发明的地下水同步震裂水动力循环原位修复装置有效地解决了现有技术中AS技术存在的缺点，同步压裂井有效地解决了地下土层孔道狭窄，水力传输能量损失大，气动剥离循环井内形成污染地下水动力循环，在水循环状态下对VOC进行气动剥离，结合表面活性剂同步注入，极大增强了气动剥离循环井的修复效率。所述的装置用于地下水污染处理中能大大提高处理土壤和地下水中可挥发性有机物的修复能力，至少包括以下优点：
1）同步压裂井增加了水力压裂裂缝网络的密度及表面积，利用井间连通的优势来增大工作区裂缝的的程度和强度，最大限度地连通天然裂缝，工作区环境影响小，完井速度快，节省压裂成本30%以上。
2）气动剥离循环井为双层井结构，即是曝气井又是抽提井，井内形成水动力循环，可增强曝气的修复效率，提高地下水中可挥发性有机物的修复能力。
3）水动震裂井和/或气动剥离循环井同时作为表面活性剂加药井，一井多用。由于水动震裂井增加了裂缝网络的密度及表面积，使得表面活性剂的传输更为迅速，提高药剂利用的效率；气动剥离循环井在同一井内加药，可以提高修复效率， 增强修复效果。一井多用减少了打井数量，节省打井成本。
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
附图说明
图1 基于同步震裂水动力循环的地下水污染原位修复装置的结构示意图。
图2 同步震裂井配对示意图。
图3 气动剥离循环井结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种基于同步震裂水动力循环的地下水污染原位修复装置，包括如下设备：
1) 在污染地下水区域内的一口以上检测井，井间距3-15m，以了解土层结构和地下水污染情况。
2) 同一区域内的两口以上水动震裂井4，井间距15-50m，井深到达低渗透性的土层。所述的水动震裂井4选定配对井后，采用水动压裂泵1对其进行同步水动压裂，水动压裂泵1的压力为1200-2000Psi，井下低渗透性的土层产生裂缝，裂隙中注入粒度为20～40目的沙粒压裂支撑剂。同步水动压裂中，配对震裂井两井间距为15-40m，水平差不超过1.5m。
3) 同一区域内的一口以上气动剥离循环井9，井间距3-20m，井深应该穿过污染地下水层到达渗透率低的土层。气动剥离循环井9为双层井，外层井上设置上层筛网10和下层筛网16，下层筛网16由多个筛网环组成，下层筛网16上有控制套筒17，内层井18上部连接充气泵13，下部连接曝气装置19，外层井上部连接抽气泵14。
4）井外的气体处理装置15，通过管道与抽气泵14连接。
5）表面活性剂加药罐11和加药落管12。水动震裂井4和气动剥离循环井9井内分别伸入一加药落管12，深入到裂隙所在层，加药落管12一端与表面活性剂加药罐11上的加药气动泵和控制阀相连，另一端连接加药喷头。表面活性剂存储罐11内存储表面活性剂，如十二烷基苯磺酸钠或吐温80。
6）形成水动震裂井所需的水动压裂泵1、压裂支撑剂输送泵6和储罐8、浆液混和器7，以及管汇、阀件等。
同步水动压裂对配对水动震裂井按现有技术进行水动压裂，具体方法是，水动震裂井4将深度打到需要震裂的土层中。双跨封隔器将被放置在套管内，同时套管和锥型挡板组成的喷枪将被安置在震裂井的最底端。不锈钢套管外的侧压能密封套筒，且能防止悬浊液泄露。高压喷枪（带细喷孔的不锈钢管）贴近锥形挡板，高压水流经喷枪喷射，将产生最高达3500psi的压力的水柱。水柱将在井内旋转喷射，对土层产生碟状1-2米的水平裂缝。在水动震裂后，将喷头接入压裂支撑剂储罐8，注入压裂支撑剂。当喷管从井中取出时，喷头将会留在土壤中。当震裂效果达到后，将双跨封隔器取出，井内伸入加药落管12深入到裂隙所在层。
如图3所示，所述的气动剥离循环井9是双层井，外层井上有上层筛网10和下层筛网16，下层筛网16包括多个筛网环，筛网环上附有控制套筒17，用于控制地下水的分层循环。气动剥离循环井内，地下水在井内形成水动力循环并通过上层筛网和下层筛网分离。 地下水从下层筛网的多个筛网环进入，从上层筛网流出，下层筛网多个筛网环在污染地下水的含水土层中，上层筛网安置在地下水位线上。通过充气泵向内井曝气，气泡被释放到受污染的地下水。曝气后在气动剥离循环井内形成气力提升泵***，使得地下水向上流动。由于存在密度梯度，水汽混合物会上升直到井内的上层筛网，气体通过上层筛网剥离出，外井连接抽吸泵，气体被从环形空隙抽出，通过抽吸泵抽到井外处理。VOC已经分离出的地下水，将重新循环向下流动回污染区域。气动剥离循环井中形成地下水的水动力循环，直到污染物被处理干净。
采用上述装置对污染地下水进行原位修复，包括以下步骤：
1) 在污染地下水区域打两口以上水动震裂井，井深到达低渗透性的土层；
2) 在同一污染地下水区域打一口以上气动剥离循环井，井深穿过污染地下水层到达低渗透性的土层，所述的气动剥离循环井为双层井，井内设置上层筛网和下层筛网，内井连接曝气设备，外井连接抽气设备；
3) 对任一水动震裂井选定其配对井，对选定配对的两口水动震裂井进行同步水动压裂，使土层产生裂缝，降低井底土层中流体的渗流阻力和改变流体的渗流状态；
4) 将表面活性剂通过水动震裂井和/或气动剥离循环井注入到污染的地下水中；
5) 同时启动曝气和抽气设备开动气动剥离循环井，曝气设备向气动剥离循环井连续曝气，使地下水从下层筛网进入，从上层筛网流出，地下水自下而上循环，挥发性气体通过上层筛网剥离出，由抽气设备抽入外部处理***处理。
本发明的装置，污染地下水中有机物的处理效率可达95%以上。
Claims (7)
1.一种基于同步震裂水动力循环的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的装置包括水动震裂井、气动剥离循环井、水动压裂泵、压裂支撑剂输送泵和储罐、表面活性剂加药罐和加药落管、充气泵、抽提泵和气体处理装置；
所述的水动压裂泵和压裂支撑剂输送泵通过压裂管汇连接至水动震裂井内，压裂支撑剂输送泵连接压裂支撑剂储罐；
所述的表面活性剂加药罐连接加药落管，加药落管放入水动震裂井和/或气动剥离循环井内；
所述的气动剥离循环井在污染地下水区域为一口以上，井深穿过污染地下水层到达低渗透性的土层，井内设置上层筛网和下层筛网；气动剥离循环井为双层井，内井连接充气泵，外井连接抽提泵，并通过管道连接井外的气体处理装置；所述的气动剥离循环井外层井上设置上层筛网和下层筛网，下层筛网由多个筛网环组成，任何一个下层筛网环上设有控制套筒；内层井下部连接曝气装置；
所述的水动震裂井在污染地下水区域为两口以上，井深到达低渗透性的土层，井下该土层中存在经过水动压裂产生的裂缝层，裂隙中注入压裂支撑剂；裂缝是对任一水动震裂井选定其配对井，对选定配对的两口水动震裂井进行同步水动压裂产生。
2.根据权利要求1所述的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的装置中，还包括一口以上的监测井。
3.根据权利要求1所述的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的水动震裂井间距15-50m，气动剥离循环井间距3-20m。
4.根据权利要求1所述的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的装置中，选定进行同步压裂的配对水动震裂井的距离为15-40m，水平差不超过1.5m。
5.根据权利要求1所述的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的水动震裂井裂隙中注入的压裂支撑剂为粒度为20～40目的沙粒压裂支撑剂。
6.根据权利要求1所述的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的水动压裂泵的压力为1200-2000Psi。
7.根据权利要求1所述的地下水污染原位修复装置，其特征在于，所述的充气泵的曝气量为10-3000ml/min。
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