4.3.1　大口径填砾工艺与关键技术

4.3.1　大口径填砾工艺与关键技术

1.砾料质量

砾料应该选择石英质量分数较大（60%以上）、质地坚硬、密度大、浑圆度较好的砂砾石，这样能增加填入砾料的孔隙度。同时，砾料的溶酸度要求：在标准土酸（3% HF+12% HCl）中，砂砾石溶解的质量分数不应超过1%。

2.砾料的规格

（1）砾径的理论分析

砾料规格的理论依据在于，假定滤料为等粒圆球体，其直径为D，滤料孔隙形成的内切球体直径为d。排列成正方体时形成的孔隙最大，如图4-3所示；排列成斜方体时形成的孔隙最小，如图4-4所示。下面分别讨论两种排列形式的滤料直径D和其孔隙形成的内切球体直径d的关系。

图4-3 正方体排列

图4-4 斜方体排列

①正方体排列

从图4-3可以看出，△ABC为直角三角形。因此：

D²+D²=（D+d）²

2D²=D²+2Dd+d²

D²-2Dd=d²

两端各加上d²：

式4-1表明了等粒圆球体滤料正方体排列时，滤料直径与其形成孔隙的内切球体直径的关系。

②斜方体排列

从图4-4可以看出，△ABC为等边三角形，△OEC为直角三角形。因此：

式4-2表明了等粒圆球体滤料斜方体排列时，滤料直径与其孔隙形成的内切球体直径的关系。

③无规则排列

从式4-1和式4-2可以看出，等粒圆球体滤料正方体排列时形成的孔隙最大，斜方体排列时形成的孔隙最小，两者的比值为

即等粒圆球体滤料形成的孔隙尺寸最大与最小相差2.68倍。但滤料不可能是单一排列，而是各种排列形式都可能存在的，形成的孔隙尺寸兼而有之，就滤料层整体而言，可以取最大者与最小者的平均值表示滤料层的孔隙尺寸，即

式4-3即滤料规格填砾比规定的理论依据，它表明了滤料粒径与其形成孔隙尺寸的关系，也就是滤料粒径与含水层通过粒径的关系。当含水层通过粒径确定之后，滤料粒径即滤料规格也随之确定。

需要明确的是，式4-3仅为理论关系式，是在假定滤料为等粒圆球体且含水层颗粒为圆球体的基础上建立的。实际上，滤料不可能是等粒圆球体，含水层颗粒也不可能都是圆球体。实际工程中，滤料和含水层的颗粒都类似于圆球体，填砾的粒径大于理论计算值，一般按D=（6～8）d选取砾料直径。

（2）防砂的理论分析

填砾的过滤机是通过限制砾料所形成孔隙的含水层颗粒粒径来实现的：滤料投入井内之后，会形成一定的孔隙，含水层中的颗粒小于砾料形成的孔隙时，会被抽出井外；含水层颗粒大于砾料形成的孔隙时，会被隔滤于滤料层之外，达到稳定含水层的目的，从而使井水含砂量降低至规定的标准之下。(https://www.daowen.com)

砾料所形成的孔隙取决于砾料粒径的大小，砾料粒径的大小与热储层颗粒的粒径有关。

（3）砾料粒径的考虑因素

①水中含砂量

填砾过滤器挡砂至规定的水中含砂量标准之下，显然，水中含砂量标准规定的高低，直接影响到制定粒径大小的标准。如苏联《室外给水设计规范》（以下简称“苏联规范”）中制定的粒径大小标准：

美国自来水厂协会制定的《水井标准》（以下简称“美国标准”）中，滤料规格为

式中，D₅₀为滤料筛分样过筛累计质量为50%时的最大颗粒直径，mm；d₅₀为砂土类含水层筛分样中过筛累计质量为50%时的最大颗粒直径，mm。

两个规定差异悬殊的原因在于各自依据的水中含砂量标准差异悬殊，苏联规范规定井水含砂量标准为万分之一（质量比），美国标准为二十万分之一（质量比）。因此，制定砾料砾径规定时，应考虑水中含砂量标准的高低。

②砾料厚度

设计填砾的厚度过薄，不易填砾到位，容易发生卡砂的现象，同时起不到防砂的效果；设计填砾的厚度过厚，会大幅增加钻井成本，有些地区因地层原因，孔径过大易发生塌孔情况，施工的风险较高。

（4）粒径的确定

我国水井标准《供水水文地质勘察规范》（GB 50027—2001）规定为（6～8）d₅₀，经多年实践证明是合适的。因此，通过上述研究，可以确定砾料粒径与含水层砂粒直径间的关系：

①填砾厚度及高度

总结华北地区多年来填砾成井的地热回灌井经验，填砾厚度控制在75～125mm。填砾高度大都高于滤水管顶界面30～50m，见表4-2。

表4-2 依据含水层筛分资料确定的相关参数

②砾料用量

填砾的厚度由钻孔与井壁管直径决定，砾料要求采用质地坚硬、密度大、浑圆度好、具有一定级配的石英砾。填砾应从井四周均匀填入，控制填砾速度，定时探测孔内填砾面位置，防止堵塞。滤料体积可采用式4-7计算：

式中，V为填砾所需滤料体积，m³；d为钻孔直径，m；D为过滤器外径，m；L为填砾高度，m；K为超径系数，取1.2～1.5。

③填砾方法

砾料从地面沿环隙投送到目的层，随井深的加大，砾料的投送工作越发困难，会出现填砾不均匀、架桥等现象，严重时甚至会出现填砾不到位的情况，这些都会造成填砾失败的后果。因此必须控制填砾数量及填砾速度。填砾前首先要进行二次换浆，换浆使钻井液黏度不大于18Pa·s，遇孔壁不稳定地层时，钻井液黏度可适当提高。

目前，填砾地热井的填砾方法可分为以下三种。

a.静水填砾

将砾料从环隙均匀投入，利用砾料密度大于冲洗液密度，将冲洗液从井管内压出，通过导管将溢出的冲洗液导入到环隙内。过程中应保持环隙冲洗液面与地面基本持平，若环隙冲洗液液面下降，应从泥浆池中抽取冲洗液进行补充。填砾速度控制在10～15m³/h为宜。

b.动水填砾

井管底、井管口密封，冲洗液从井管返到环隙，再从环隙返到地面，冲洗液黏度达到18Pa·s、密度达到1.05 g/cm³左右时，把砾料从环隙均匀投入，一般填砾速度为3～6m³/h。填砾过程中注意返水量、泵压及冲洗液黏度的变化。当砾料超过最上部滤水管时，压力达到最大值，应注意调整冲洗液黏度。

c.抽水填砾

将砾料从环隙均匀投入，利用潜水泵从井管内抽水，将冲洗液导入到环隙内。过程中应保持环隙冲洗液面与地面基本持平，填砾速度控制在15～20m³/h为宜。