一种用于原位修复土壤及地下水污染的高压注射钻杆装置的制作方法

本发明具体涉及一种用于原位修复土壤及地下水污染的高压注射钻杆装置，属于环境修复技术领域。

背景技术：

随着经济的快速发展，大量化学物质的使用造成土壤和地下水不同程度的污染；此外，雨水的淋滤和地下水位的波动，也会造成土壤和地下水的交叉污染。一般来说，土壤和地下水中典型的污染物有无机物和有机物污染，如no3^-、nh4⁺、重金属pb、cr、as、苯系物、石油烃、多氯联苯、农药等，这些污染物往往具有高毒性高致癌性，因此必须通过合理技术手段修复受污染的土壤和地下水。

目前，土壤和地下水修复技术主要有异位修复和原位修复。异位修复是将污染土壤挖出、转运、修复，这种修复方式不仅工作量大，还会造成空气的二次污染，还可能因微生物作用而产生的恶臭产物对周边居民造成影响。而原位修复具有保护污染场地结构、修复工程量小、修复成本低等优势，原位修复包括原位生物修复、植物修复、化学修复等，这些技术往往需要将合适的生物制剂或化学药剂原位注射到土壤和地下水中，使得生物或药剂与土体和地下水充分接触并发生反应，以达到修复的目的。

传统注射技术是采用注射杆下压的方式进行，效率低下，且难以穿透砂砾石层等硬质地层。目前有学者已经使用改进的液压系统进行原位注射，提高了设备稳定性和工作效率；但是原位修复中药剂与污染物的接触及反应的问题仍然是巨大的挑战，其大大影响修复效果和修复效率。

高压喷射注浆技术是岩土工程中应用非常广泛的一种技术，其原理是利用钻机造孔，把带有喷头的注浆管下至土层预定位置，以高压把浆液、水或气从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，土粒从土体剥落下来，一部分细颗粒随浆液冒出地面，余下的部分与灌入浆液掺混，在土体中形成凝结体。如果将这种技术的原理和设备引入土壤和地下水污染修复中，利用高压将先导液打入地下污染介质略破坏土层，形成供修复药剂流通的优先通道，使得修复药剂在高压下与地下介质中充分接触，同时药剂的运移距离更远，则可以增加修复半径，提高修复效率。

因此，需要设计一种原位注入装置，将先导液和修复药剂快速高压地注射到地下，增加药剂在土壤介质中的运移距离，使得药剂能够更好地与介质接触反应，从而提高原位修复的效率并改善修复效果。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明提供了一种用于原位修复土壤及地下水污染的高压注射钻杆装置，其增加了药剂在土壤及地下水介质中的运移距离，更好地实现了药剂与土壤及地下水中污染物质之间的接触效果，从而大大提高修复效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于原位修复土壤及地下水污染的高压注射钻杆装置，所述钻杆装置包括钻头组件、外套管、内管、第一接口、第二接口和第一容腔，外套管套设在内管的外面，两者均位于钻头组件的上端，外套管和内管均为空心结构，外套管和内管之间的封闭空间形成第一容腔，外套管上设有的第一接口与第一容腔相通；内管上端设有第二接口与内管的内部空腔相连接；所述钻头组件位于所述钻杆装置的底部，钻头组件包括中间通孔、周孔、喷射口、高压喷头和钻头，钻头设置在钻头组件的底部，钻头组件的中部设有沿周向分布的多个喷射口，喷射口上设有高压喷头；中间通孔和周孔沿所述钻头组件的径向设置，中间通孔上接所述内管，下接所述高压喷头；中间通孔的四周钻有多个周孔，各个周孔向上与第一容腔相通，周孔向下与所述喷射口分别相通。

进一步地，所述外套管和钻头组件之间还设有附加管，附加管包括附加外管和附加内管，附加外管和附加内管均为空心结构，附加外管套设在附加内管的外部，两者之间形成的空腔与所述第一容腔连通。

进一步地，所述附加外管的两端分别与所述钻头组件和外套管通过nptf干密封式锥管螺纹连接。

进一步地，所述内管设为长度可调的软管，用于调节所述附加内管和附加外管之间的累积长度差。

进一步地，所述内管的一端通过第二接口与外套管焊接，另一端与所述附加内管通过扣压式接头连接。

进一步地，所述附加内管与钻头组件之间设有公头，公头焊接在所述钻头组件的端部；附加内管的端部装有扣压式母头，所述扣压式母头和所述公头连接。

进一步地，所述附加管采用多个。

进一步地，所述外套管的底部内壁设有内螺纹，与内管的外螺纹把接封闭两者之间的空间，所述螺纹把接为nptf干密封式锥管螺纹把接。

进一步地，所述喷射口设为4个，每个喷射口之间的角度为90°。

本发明具有的有益效果如下：

(1)更多样的修复方式选择。本发明装置提供了多种药剂注入方式：(a)将直接药剂通过高压的方式注射到土壤及地下水中；(b)首先高压注入先导液(如清水，注射压力可达到60mpa)，形成供修复药剂流通的优先通道，然后再注入修复药剂；(c)内管容腔和药剂容腔分别同时注入两种药剂，两种药剂可以瞬间混合并同时高压注射到土壤及地下水中，减少与污染体接触前的药剂之间的相互反应消耗，此时药效最佳效果最好，提高药剂使用率；以上多种方式可以根据现场修复工艺方案灵活选择。

(2)更广的应用范围。现有的原位注射修复技术仅适用于中高渗透性的地层，本发明可以将原位注射修复技术应用扩展到中低渗透性地层。此外，由于采用高压注射，可以使注射钻头深入到饱和层，从而修复污染的地下水，克服了现有技术仅在非饱和层修复效果较好的缺陷。

(3)更好的修复效果。高压注入的先导液沿土体软弱方向造缝，为后续修复药剂的注入打开优先通道，增加了污染物在介质中的渗透能力，也增加了药剂与污染介质的接触面积，提高了修复效率并改善了修复效果。同时，高压注射钻头以直接推进的方式打入地下，可以有效防止冒浆，可以灵活改变注射层位，实现单井多层注射。

(4)本发明装置设计简单，施工方便，实现了钻孔、打眼、原位注射修复一体化，大大节省了人力和物力，具有良好的市场推广价值。

附图说明

图1是本发明装置的剖面示意图；

图2是本发明钻头组件的示意图：(a)为外观图；(b)为俯视图；(c)为a-a剖面图；(d)为b-b剖面图；

其中，1—钻头组件；2—公头；3—高压软管；4—连接杆；5—顶杆；6—高压软管调节管；7—注射接头；8—高压接头；9—钻头中间孔；10—钻头周孔；11—高压喷头；12—钻头；13-药剂容腔。

具体实施方式

附图非限制性的公开了本发明一种实施例的具体结构，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本实施例的高压注射钻杆装置既是药剂的载体，又是钻孔和打眼的执行器，在对土壤及地下水污染体原位修复过程中可以进行钻孔、打眼和药剂注射，实现了钻孔、打眼、注射修复一体化。本实施例中通过采用单个或多个连接杆4可以适应污染体不同深度的注射需求。

由图1可见，本实施例的高压注射钻杆装置包括钻头组件1、内管(包括高压软管3和高压软管调节管6，高压软管调节管6和高压软管3从上向下相连)、外套管(包括顶杆5和连接杆4，顶杆5和连接杆4从上向下相连)、注射接头7、高压接头8、高压容腔和药剂容腔13；钻头组件1位于钻杆装置的底部，外套管套接在内管的外面，两者位于钻头组件1的上端，外套管和内管均为空心结构，内管上端与高压接头8连接，内管的内部空腔形成高压容腔；外套管和内管之间的封闭空间形成药剂容腔13，外套管上设有的注射接头7与药剂容腔13相通。

其中，外套管的底部内壁设有内螺纹，与内管的外螺纹把接两者之间的封闭空腔(药剂容腔13)，把接螺纹为nptf干密封式锥管螺纹连接，密封性好。

连接杆4和钻头组件1之间用nptf干密封式锥管螺纹连接，保证密封性；连接杆4和顶杆5之间用nptf干密封式锥管螺纹连接，保证密封性。

高压软管3和钻头组件1之间采用扣压式接头连接，公头2焊接在钻头组件1的顶端；高压软管3和高压软管调节管6之间也用扣压式接头连接，高压接头8和顶杆5焊接保证密封性。如此可形成两个相对封闭的容腔，高压容腔用于喷射高压水(先导液)，药剂容腔13用于输送修复药剂。

连接杆4的底部内壁设有台阶，与高压软管3的外壁一起封闭药剂容腔13，此外，药剂容腔13的底部封闭处还设有密封圈。

高压容腔的底部设有复位弹簧，复位弹簧上安装有止回阀套，该止回阀套处于复位位置时，可以堵住高压容腔向下连接的钻头中间孔9。

连接杆4和高压软管3都是一端公头，一端母头，可以根据钻井深度进行叠加或者拆卸使用。

顶杆5的一端与连接杆4连接，顶杆5的另一端焊有高压接头8；高压软管调节管6在长度上可调节高压软管3和连接杆4之间的累积长度差，高压软管调节管6的一端与高压软管3连接，另一端通过高压接头8与顶杆5焊接在一块。顶杆5上另焊有注射接头7，注射接头7与药剂容腔13相连通。

如图2所示，钻头组件1包括钻头中间孔9、钻头周孔10、喷射口、高压喷头11和钻头12，钻头12设置在钻头组件的底部，钻头组件1的中部开有沿周向分布的4个喷射口，高压喷头11分别用螺纹连接的方式固定在喷射口上。钻头中间孔9和钻头周孔10径向设置在钻头组件1的内部，钻头中间孔9上接高压软管3，下接四个高压喷头11。钻头中间孔9的周边钻有4个钻头周孔10，钻头周孔10向上与药剂容腔13相通，下与沿周向分布的喷射口分别相通。

具体工作过程：本实施例的高压注射钻杆装置安装于钻机上并与高压泵连通，启动钻机将高压注射钻杆装置钻入预定深度；高压水通过过滤器后进入高压接头8，途经过高压软管调节管6和高压软管3后进入钻头组件1的钻头中间孔9，最后经高压喷头11喷出，高压水喷射过后可周边土壤中形成供修复药剂流通的优先通道。然后，再将修复的药剂通过注射接口7注入，经由药剂容腔13和钻头周孔10最后通过喷射口向周边土壤及地下水中沿优先通道喷出，使其达到修复效果。

以上实施例所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。