液态二氧化碳洗井原理及用量计算
液态二氧化碳洗井原理及用量计算
摘要: 二氧化碳洗井是一种操作简便、成本低、效果快的洗井技术。本文介绍了二氧化碳的性质、洗井原理及洗井用CO2的质量的计算，并结合实例说明了洗井情况及注意事项。
关键词: 水文孔 CO2洗井CO2用量计算
1 二氧化碳的性质
CO2在通常状况下是一种无色、无味的气体，微溶于水，溶解度为0.144g/100g水（25℃）。在20℃时，将CO2加压到5.73×106 Pa即可变成无色液体，常压缩在钢瓶中存放，在-56.6℃、5.27×105 Pa时变为固体。液态CO2减压迅速蒸发时，一部分气化吸热，另一部分骤冷变成雪状固体,将雪状固体压缩,成为冰状固体，即俗你“干冰”。“干冰”在1.013×105 Pa、-78.5℃时可直接升华变成气体。CO2比空气重，在标准状况下密度为1.977g/L，约是空气的1.5倍。CO2能部分地与水反应生成碳酸，具弱酸性。常温、常压下,每千克液态CO2可气化膨胀为0.59m3的气体。
2 液态二氧化碳洗井原理
液态CO2洗井，就是通过CO2的形态变化，将低温高压装八杜瓦瓶里的液态CO2经过高压管道送入井底，由于压力变小，温度升高，由物理学气态方程P1V1/T1= P2V2/T2,PV/T=常数，液态CO2的相变特性瞬间产生高压气流和强烈的正负水击作用于含水层的孔隙淤积，强力疏通含水层的来水通道，伴随着液态CO2急剧气化而产生爆发性的气举能力，推动水体上升，并夹带大量泥砂、碎石等直至喷出井外。瞬间，井内为负压状态，这时被压入含水层中的CO2气体与水的混合物等又在地层和水头压力作用下向井内补给，形成无数条内向激流，这时滞留于含水层孔裂隙中的淤塞物便随之带入井内，并使井壁泥皮再度遭到破坏，使含水层水路疏通，增大井孔出水量，达到洗井的目的。
3 洗井实例介绍
CO2洗井已得到广泛应用，下面结合永城市1号水文孔进行分析。该孔孔深1037m，井管直径0.127m，静水位30m,水温16℃。管汇阀门至井口高压胶管长度为20m，胶管管径0.035m。送气钻杆（内径0.040m）下入孔内深度为440m。预计井喷高度17m，
3.1 CO2用量计算
采用CO2洗井，其CO2用量是个不容忽视的问题，用量过多造成不必要的浪费，用量过少又达不到洗井的目的，因此在理论上建立个CO2用量模型，减少CO2用量盲目性，提高经济效益，具有重要意义。
CO2洗井的过程就是液态CO2压力释放进化为气态的过程，体积迅速膨胀作功而产生的效果，其运动形式符合气态方程，即
……………①
式中：P为孔内液体的压强
V为所需CO2气体体积
T为CO2的绝对温度
μ为CO2的摩尔分子量（μ=44g/mol）
R为气体常数 （R=8.314 J/mol*K）
根据公式①得出CO2用量：
……………②
式中压强P的数值只有在大于孔内液柱压强的情况下，才能产生井喷，根据洗井经验，取值约为液柱压强的1.5倍。CO2 气体体积应该能排开钻孔内液体的体积，预计井喷高度所占的体积(V1)、井口至静水位井简体积（V2 )及输送CO2高压胶管从管阀门出口至钻杆出口处长度内所占CO2气体体积（V3 )三项之和。根据经验还要乘上钻孔的不均匀系数1.2。根据永城1号水文孔的数据，那么
V1+V2==0.595m3V3==0.578m3
V=（V1+V2+V3）1.2=1.173 =1.1076m3
P=61.5(atm)(1atm=1.01Pa)
T=273.15+16=289.15K
代入公式得：
=1.6g=160kg
每瓶液态CO2重量为20kg，则需要8瓶。
3.2洗井情况
第一次洗井：同时打开10只钢瓶，向井内输送液态CO2。此时，表压力随着时间急剧增加上升，继续向井内输送CO2液时，压力表读数增大，大约2分钟后压力值反而有下降的趋势，随后听见井内有鸣声， 10秒钟后，井口逸出清水，随后有混浊水流出，孔口水柱逐渐增高，一瞬间巨大的水柱伴随着雷鸣般的隆隆声，从井口喷出，喷出高度达到18m，场景十分壮观。随后压力表数据急剧下降，1分钟后，关闭总阀。从井喷的全过程可以观察到井水的颜色是呈清一混浊一较混浊变化的。
第一次洗井后3O分钟后进行第二次洗井，另接上10个液态CO2钢瓶，向井内输送CO2，压力表读数逐渐增大，大约2分钟后水从井口逸出，喷出井口的水柱从0～4m高度内高低变化，历时15秒钟，又经过30秒钟。水柱达6～8m。随后井喷减弱、井口涌出大量的混浊液，象泉涌一样，历时4分钟左右。
根据洗井经验，这次洗井是比较成功的，使井壁泥皮遭到破坏，把孔内滞留于含水层孔裂隙中的淤塞杂物带入井外，使含水层水路畅通，达到洗井目的。
4 小结
目前国内洗井方法主要有：深井泵洗井、空气压缩机洗井、拉活塞洗井、液态CO2洗井及酸洗井等，这几种洗井方法相比较，液态CO2洗井具有效率高、无污染、成本低的优势，在生产中广受欢迎。通过二氧化碳用量的理论公式的计算，用质量合适的CO2洗井，既不浪费，又能达到洗井目的，这样能提高投入产出比，提高经济效益。
注意事项：
(1)二氧化碳洗井，受温度影响很大，外界温度高，杜瓦瓶内液体容易气化，瓶内气体能得到充分利用；如果在低温季节洗井，需要增加增温保暖措施，使温度提高到4℃以上，不能超过50℃，更不可直接用明火烘烤，以免产生爆炸。
(2)二氧化碳洗井虽然安全，操作或运输过程中，放气阀方向禁止站人，最好立放，以免发生意外。为防止杜瓦瓶被破坏，应将其贮存在凉爽、干燥、通风良好的地方。
(3)从瓶中放出的液化气都是低温的，禁止用手触摸钢瓶及洗井时的高压管路，以免造成冻伤。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。