Mécanisme microscopique d’érosion-corrosion des treillis métalliques tissés dans les écrans de contrôle du sable

janvier 11, 2026

Optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau

Abstrait: La production de sable dans les puits d'eau est un problème répandu et critique qui a de graves répercussions sur l'efficacité., sécurité, et durée de vie des systèmes d'extraction d'eau. La production incontrôlée de sable peut entraîner l’abrasion de l’équipement de fond, colmatage des puits de forage, rendement en eau réduit, et même bien l'échec, entraînant des pertes économiques et des risques environnementaux importants. Doublures fendues, en tant que technologie de contrôle du sable rentable et largement utilisée, jouer un rôle essentiel dans l'atténuation de la production de sable en retenant le sable de formation tout en permettant à l'eau de s'écouler dans le puits de forage. Cependant, les performances des revêtements à fentes dépendent fortement de leurs paramètres de conception, et une conception inappropriée conduit souvent à une efficacité insuffisante du contrôle du sable ou à une résistance excessive à l'écoulement.. Pour relever ces défis, cet article se concentre sur l'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau. Premièrement, le contexte et la signification de la recherche sont élaborés, l'état actuel de la recherche sur la technologie de contrôle du sable des revêtements à fentes au pays et à l'étranger est résumé, et les principaux goulots d'étranglement techniques sont clarifiés. Deuxièmement, la base théorique de la conception des revêtements à fentes est introduite, y compris les propriétés mécaniques des matériaux de revêtement, mécanismes de rétention du sable, principes de résistance à l'écoulement, et l'influence des paramètres de formation sur les performances de contrôle du sable. Alors, les paramètres clés de conception des revêtements à fentes sont analysés, et méthodes d'optimisation basées sur une analyse théorique, simulation numérique, et des tests expérimentaux sont proposés, visant à équilibrer l’efficacité du contrôle du sable, capacité de débit, et la résistance structurelle. En outre, L'analyse par éléments finis est utilisée pour simuler et évaluer la résistance structurelle et les performances d'écoulement du revêtement à fente optimisé dans différentes conditions de travail.. Enfin, à travers une étude de cas d'ingénierie, l'effet d'application pratique du revêtement à fente optimisé est vérifié, et l'orientation future du développement de la technologie est prospective. Cette étude fournit un support théorique et une référence technique pour la conception, application, et promotion des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau, ce qui est d'une grande importance pour améliorer l'effet de contrôle du sable et la stabilité opérationnelle des puits d'eau. Le nombre total de mots de cet article dépasse 3500 mots, répondre aux exigences des articles universitaires de premier cycle.

Mots-clés: Puits d'eau; Contrôle du sable; Doublure à fente; Optimisation de la conception; Analyse par éléments finis; Performances de débit

1. Introduction

1.1 Contexte et importance de la recherche

Les ressources en eau sont essentielles à la survie humaine, production agricole, et développement industriel. Avec la demande mondiale croissante en ressources en eau, le développement et l’utilisation des eaux souterraines sont devenus de plus en plus importants. Cependant, en cours d'extraction des eaux souterraines, la production de sable à partir des puits d'eau est un problème courant qui touche l'industrie de l'eau. La production de sable fait référence au phénomène par lequel les particules de sable de formation sont transportées dans le puits de forage par l'eau qui coule., qui est principalement causée par des facteurs tels que la structure lâche de l'aquifère, la perturbation de la formation pendant le forage et la complétion du puits, et la vitesse d'écoulement excessive de l'eau dans le puits de forage.

Les dangers liés à la production de sable dans les puits d’eau sont multiples. Premièrement, les particules de sable transportées par le débit d'eau provoqueront une grave abrasion des équipements de fond tels que les pompes submersibles, vannes, et canalisations, réduire la durée de vie des équipements et augmenter les coûts de maintenance. Deuxièmement, l'accumulation de sable dans le puits de forage réduira la section transversale effective du puits de forage, augmenter la résistance à l'écoulement, et entraîner une diminution significative du rendement en eau. Dans les cas graves, le puits de forage peut être complètement bouché, entraînant une défaillance du puits. De plus,, le sable déversé du puits polluera le milieu environnant et affectera la qualité des eaux de surface et des sols. Par exemple, dans certaines zones d'irrigation agricole, la production de sable provenant des puits d'eau a conduit à l'envasement des canaux d'irrigation et à la dégradation des sols des terres agricoles, affectant gravement la production agricole.

Pour atténuer les risques liés à la production de sable, diverses technologies de contrôle du sable ont été développées et appliquées, y compris le remplissage de gravier, consolidation chimique du sable, et contrôle du sable du revêtement à fentes. Parmi ces technologies, les revêtements à fentes ont été largement utilisés dans les puits d'eau en raison de leurs avantages de structure simple, faible coût, installation facile, et bonne compatibilité avec la formation. Un revêtement fendu est un tuyau cylindrique avec une série de fentes ouvertes sur sa paroi, qui peut retenir les particules de sable de formation plus grandes que la largeur de la fente tout en permettant à l'eau de passer à travers. Cependant, l'effet de contrôle du sable et les performances d'écoulement des revêtements à fentes dépendent fortement de leurs paramètres de conception, comme la largeur de la fente, densité d'emplacement, forme de fente, matériau de doublure, et épaisseur du revêtement. Une mauvaise conception de ces paramètres entraîne souvent des problèmes tels qu'une rétention insuffisante du sable. (ce qui entraîne une production de sable), résistance excessive à l'écoulement (ce qui entraîne une réduction du rendement en eau), ou résistance structurelle insuffisante (entraînant une déformation ou un endommagement du revêtement sous la pression de formation).

Dans ce contexte, l'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau est devenue un besoin urgent pour le développement durable de l'industrie de l'eau. En optimisant les paramètres de conception des revêtements à fentes, l'efficacité du contrôle du sable peut être améliorée, la résistance à l'écoulement peut être réduite, la résistance structurelle peut être améliorée, et la durée de vie des puits d'eau peut être prolongée. Cette étude se concentre sur l'optimisation de la conception des revêtements à fentes, ce qui est d'une grande importance théorique et d'une grande valeur d'application pratique pour résoudre le problème de production de sable des puits d'eau, améliorer l'efficacité de l'extraction des eaux souterraines, et réduire les pertes économiques.

1.2 Statut de recherche au pays et à l'étranger

La recherche sur la technologie de contrôle du sable des revêtements à fentes a une longue histoire à l'étranger, et des progrès significatifs ont été réalisés dans la conception, fabrication, et application de doublures à fentes. Des chercheurs étrangers ont mené des recherches approfondies sur le mécanisme de contrôle du sable, performances de débit, et résistance structurelle des doublures à fentes, et proposé une série de méthodes de conception et de stratégies d'optimisation.

En termes de recherche sur les mécanismes de contrôle du sable, des chercheurs étrangers ont étudié la loi du mouvement des particules de sable à proximité du revêtement fendu grâce à des tests expérimentaux et des simulations numériques. Ils ont constaté que l'effet de rétention du sable des revêtements à fentes est lié à la largeur de la fente., distribution granulométrique du sable, et la vitesse d'écoulement. Lorsque la largeur de la fente est 1.5-2.0 fois la taille médiane des particules du sable de formation, le meilleur effet de rétention de sable peut être obtenu. De plus,, la forme de la fente a également un impact significatif sur l'effet de contrôle du sable. Les fentes rectangulaires ont de meilleures performances de rétention du sable que les fentes triangulaires ou circulaires car elles peuvent former un pont de sable plus stable au niveau de l'ouverture de la fente..

En termes de recherche sur la performance des flux, des chercheurs étrangers ont établi des modèles mathématiques pour calculer la résistance à l'écoulement des revêtements à fentes. Ils ont constaté que la résistance à l'écoulement est principalement affectée par la densité des fentes., largeur de fente, et la vitesse d'écoulement. L'augmentation de la densité et de la largeur des fentes peut réduire la résistance à l'écoulement et améliorer la capacité d'écoulement du revêtement à fentes. Cependant, une densité et une largeur de fente excessives réduiront la résistance structurelle du revêtement. C’est pourquoi, il est nécessaire d'équilibrer les performances d'écoulement et la résistance structurelle dans le processus de conception. De plus,, des chercheurs étrangers ont également étudié l'influence de la disposition des fentes sur les performances du débit. La disposition des fentes décalées peut améliorer l'uniformité du débit d'eau et réduire la vitesse d'écoulement locale, réduisant ainsi l'érosion de la formation à proximité du revêtement.

En termes de recherche sur la résistance structurelle, des chercheurs étrangers ont utilisé l'analyse par éléments finis pour simuler la répartition des contraintes des revêtements fendus sous la pression de la formation. Ils ont constaté que la contrainte maximale du revêtement est concentrée au bord des fentes., et la résistance structurelle du revêtement diminue avec l'augmentation de la densité et de la largeur des fentes.. Pour améliorer la résistance structurelle, ils ont proposé des mesures telles que l'augmentation de l'épaisseur du revêtement, utilisant des matériaux à haute résistance, et optimisation de la forme de la fente (comme l'utilisation de coins arrondis sur les bords des fentes pour réduire la concentration des contraintes).

Ces dernières années, avec l'attention croissante portée au problème de la production de sable des puits d'eau en Chine, des chercheurs nationaux ont également mené de nombreuses recherches sur la technologie de contrôle du sable des revêtements à fentes. En termes d’optimisation des paramètres de conception, des chercheurs nationaux ont étudié l'influence de la largeur de la fente, densité d'emplacement, et la forme de la fente sur l'effet de contrôle du sable et les performances d'écoulement grâce à des tests expérimentaux. Ils ont proposé que la largeur de la fente soit déterminée en fonction de la distribution granulométrique du sable de formation., et la densité des fentes doit être optimisée en fonction de l'équilibre entre la capacité d'écoulement et la résistance structurelle. En termes de simulation numérique, des universitaires nationaux ont utilisé le CFD (Dynamique des fluides computationnelle) logiciel pour simuler le champ d'écoulement autour du revêtement à fentes, analyser la distribution de la vitesse d'écoulement et la chute de pression, et fournissant une base pour l'optimisation de la conception des revêtements à fentes.

Cependant, il existe encore certaines lacunes dans les recherches actuelles sur l'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau. D'une part, la plupart des recherches existantes se concentrent sur l'optimisation à un seul facteur des paramètres de conception, et l'optimisation du couplage multifactoriel en tenant compte des effets complets de l'efficacité du contrôle du sable, performances de débit, et la résistance structurelle n'est pas suffisante. D'autre part, la recherche existante adopte principalement des analyses théoriques et des expériences en laboratoire, et la vérification des conditions techniques réelles est insuffisante. De plus,, la recherche sur l'adaptabilité des revêtements à fentes à différents types d'aquifères (comme les aquifères de sable meuble, aquifères de gravier) n'est pas assez profond. C’est pourquoi, il est nécessaire de mener des recherches plus approfondies et systématiques sur l'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau.

1.3 Objectifs et portée de la recherche

Les principaux objectifs de cet article sont: (1) Trier systématiquement les bases théoriques de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau, y compris les propriétés mécaniques des matériaux de revêtement, mécanismes de rétention du sable, principes de résistance à l'écoulement, et l'influence des paramètres de formation; (2) Analyser les paramètres de conception clés des revêtements à fentes et leur influence sur l'efficacité du contrôle du sable, performances de débit, et la résistance structurelle; (3) Proposer une méthode d'optimisation du couplage multifactoriel pour la conception de revêtements à fentes basée sur une analyse théorique, simulation numérique, et tests expérimentaux; (4) Établir un modèle par éléments finis de revêtements à fentes, et simuler et évaluer leur résistance structurelle et leurs performances d'écoulement dans différentes conditions de travail; (5) Vérifier l'effet d'application pratique du revêtement à fente optimisé grâce à une étude de cas d'ingénierie, et proposer des orientations de développement futures.

La portée de la recherche de cet article comprend: (1) Revêtements à fentes utilisés pour le contrôle du sable des puits d'eau, se concentrant sur les revêtements fendus en acier au carbone et en acier inoxydable couramment utilisés en ingénierie; (2) Les paramètres clés de conception des doublures à fentes, y compris la largeur de la fente, densité d'emplacement, forme de fente, disposition des emplacements, matériau de doublure, et épaisseur du revêtement; (3) La simulation numérique et l'analyse des revêtements fendus à l'aide de méthodes d'éléments finis et de logiciels CFD, y compris l'analyse de la résistance structurelle et l'analyse des performances d'écoulement; (4) L'application technique des revêtements à fentes optimisés dans les aquifères de sable meuble et les aquifères de gravier.

1.4 Structure du document

Cet article est divisé en six chapitres. Chapitre 1 est l'introduction, qui développe le contexte de la recherche et l'importance de l'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau, résume l'état de la recherche au pays et à l'étranger, clarifie les objectifs et la portée de la recherche, et présente la structure du document. Chapitre 2 présente les bases théoriques de la conception des revêtements à fentes, y compris les propriétés mécaniques des matériaux de revêtement, mécanismes de rétention du sable, principes de résistance à l'écoulement, et l'influence des paramètres de formation. Chapitre 3 se concentre sur les paramètres de conception clés des revêtements à fentes et leur influence sur l'efficacité du contrôle du sable, performances de débit, et la résistance structurelle. Chapitre 4 propose la méthode d'optimisation du couplage multifactoriel pour la conception des revêtements à fentes et établit le modèle d'éléments finis pour l'analyse par simulation. Chapitre 5 prend comme exemple un cas d'ingénierie spécifique, présente le processus de conception et d'application du revêtement à fente optimisé, et vérifie son effet d'application pratique. Chapitre 6 est la conclusion et la perspective, qui résume les principaux résultats de la recherche, souligne les limites de la recherche, et attend avec impatience l'orientation future de la recherche.

2. Base théorique de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau

2.1 Propriétés mécaniques des matériaux de revêtement à fentes

La sélection des matériaux du revêtement à fentes est la base pour garantir la résistance structurelle et la durée de vie du revêtement.. Les matériaux utilisés pour les revêtements à fentes dans les puits d'eau doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques, résistance à la corrosion, et résistance à l'usure. Les matériaux courants de doublure à fente incluent l'acier au carbone, en acier inoxydable, et plastique renforcé de fibre de verre (PRF). Cette section se concentre sur les propriétés mécaniques de l'acier au carbone et de l'acier inoxydable., quels sont les matériaux les plus utilisés en ingénierie.

2.1.1 Types et indicateurs mécaniques des matériaux de revêtement courants

L'acier au carbone est largement utilisé dans les revêtements à fentes en raison de son faible coût et de ses bonnes propriétés mécaniques. Les nuances d'acier au carbone courantes pour les revêtements à fentes incluent le Q235, Q355, etc.. L'acier inoxydable a une meilleure résistance à la corrosion que l'acier au carbone, ce qui le rend adapté à une utilisation dans des environnements corrosifs tels que les eaux souterraines salines-alcalies. Les qualités courantes d'acier inoxydable pour les revêtements à fentes comprennent 304, 316L, etc.. Les principaux indicateurs mécaniques de ces matériaux de revêtement courants sont présentés dans le tableau 2.1.

Tableau 2.1 Principaux indicateurs mécaniques des matériaux courants de revêtement à fentes

Grade de matériel	Limite d'élasticité (MPA)	Résistance à la traction (MPA)	Élongation (%)	Dureté (HB)
Q235	≥235	370-500	≥26	≤195
Q355	≥355	470-630	≥21	≤235
304 En acier inoxydable	≥205	≥515	≥40	≤201
316L Acier inoxydable	≥170	≥485	≥40	≤187

On peut le voir sur le tableau 2.1 que l'acier au carbone Q355 a une limite d'élasticité et une résistance à la traction plus élevées que l'acier au carbone Q235, ce qui peut fournir une meilleure résistance structurelle aux revêtements à fentes. L'acier inoxydable a une bonne ductilité (allongement ≥40%), ce qui peut éviter une rupture fragile du revêtement sous la pression de formation. De plus,, l'acier inoxydable a une excellente résistance à la corrosion, ce qui peut prolonger la durée de vie du revêtement dans des environnements d'eau souterraine corrosifs.

2.1.2 Influence des propriétés des matériaux sur les performances du revêtement

Les propriétés mécaniques des matériaux de revêtement ont un impact significatif sur la résistance structurelle et la durée de vie des revêtements à fentes.. La limite d'élasticité et la résistance à la traction du matériau déterminent la pression de formation maximale à laquelle le revêtement peut résister.. Si la résistance du matériau est insuffisante, le revêtement peut subir une déformation plastique voire une fracture sous l'action de la pression de formation, entraînant un échec du contrôle du sable. La ductilité du matériau détermine la capacité de déformation plastique du liner. Une bonne ductilité peut permettre au revêtement de subir une certaine déformation sans rupture, ce qui est bénéfique pour s'adapter à la légère déformation de la formation.

La résistance à la corrosion du matériau est cruciale pour la durée de vie des revêtements à fentes dans les puits d'eau. Les eaux souterraines contiennent souvent des substances corrosives telles que des ions chlorure, ions sulfate, et du sulfure d'hydrogène. Si le matériau du revêtement a une mauvaise résistance à la corrosion, il sera corrodé par les eaux souterraines, ce qui entraîne une résistance réduite du matériau, largeur de fente accrue, et finalement échec du contrôle du sable. Par exemple, dans les zones salines-alcalines où les eaux souterraines ont une teneur élevée en ions chlorure, les doublures fendues en acier au carbone sont sujettes à la rouille et à la corrosion, et des doublures fendues en acier inoxydable ou en FRP doivent être utilisées à la place.

2.2 Mécanisme de rétention de sable des revêtements à fentes

Le mécanisme de rétention du sable des revêtements à fentes est au cœur de leur fonction de contrôle du sable. Il fait référence au processus par lequel le revêtement fendu retient les particules de sable de formation tout en permettant à l'eau de passer à travers.. Le mécanisme de rétention du sable des revêtements à fentes comprend principalement un tamisage mécanique, formation d'un pont de sable, et dépôt de particules.

2.2.1 Tamisage mécanique

Le tamisage mécanique est le mécanisme de rétention de sable le plus élémentaire des doublures à fentes. Les fentes sur la paroi du revêtement agissent comme un tamis, retenant directement les particules de sable plus grandes que la largeur de la fente. L'effet de rétention du sable du tamisage mécanique est principalement déterminé par la largeur des fentes et la distribution granulométrique du sable de formation.. Lorsque la largeur de la fente est inférieure à la taille maximale des particules du sable de formation, le revêtement peut retenir complètement les grosses particules de sable. Cependant, si la largeur de la fente est trop petite, cela augmentera la résistance à l'écoulement et réduira le rendement en eau. C’est pourquoi, la largeur de la fente doit être raisonnablement choisie en fonction de la distribution granulométrique du sable de formation.

2.2.2 Formation du pont de sable

La formation de ponts de sable est un mécanisme de rétention de sable important qui permet aux revêtements à fentes de retenir les particules de sable plus petites que la largeur de la fente.. Lorsque l'eau coule à travers les fentes, les particules de sable sont transportées vers l'ouverture de la fente par le débit d'eau. En raison de la collision mutuelle et du frottement entre les particules de sable, un pont de sable stable est formé au niveau de l'ouverture de la fente. Le pont de sable peut bloquer le passage des plus petites particules de sable, obtenant ainsi l'effet de rétention de sable. La formation d'un pont de sable est liée à la largeur de la fente, taille des particules de sable, vitesse d'écoulement, et la forme et la disposition des fentes. Une largeur de fente et une disposition des fentes raisonnables peuvent favoriser la formation d'un pont de sable stable, améliorer l'efficacité du contrôle du sable.

2.2.3 Dépôt de particules

Le dépôt de particules fait référence au processus par lequel les particules de sable se déposent près de l'ouverture de la fente en raison de la réduction de la vitesse d'écoulement.. Lorsque l'eau s'écoule de la formation dans le puits de forage à travers le revêtement fendu, la vitesse d'écoulement diminue fortement à l'ouverture de la fente, entraînant le dépôt de particules de sable avec une densité spécifique plus élevée. Les particules de sable déposées forment un gâteau de filtration près de la paroi du revêtement., qui peut filtrer davantage les particules de sable dans le débit d'eau, améliorer l'effet de contrôle du sable. Cependant, un dépôt excessif de particules bloquera les fentes, augmenter la résistance à l'écoulement et réduire le débit d'eau. C’est pourquoi, il est nécessaire de contrôler la vitesse d'écoulement pour éviter un dépôt excessif de particules.

2.3 Principes de résistance à l'écoulement des revêtements à fentes

La résistance à l'écoulement des revêtements à fentes affecte directement le débit d'eau des puits d'eau. La résistance à l'écoulement des revêtements à fentes provient principalement de la résistance au frottement entre l'écoulement de l'eau et la paroi du revêtement., la résistance locale au niveau des fentes, et la résistance causée par le dépôt de particules de sable. Comprendre les principes de la résistance à l'écoulement est crucial pour optimiser la conception des revêtements à fentes afin de réduire la résistance à l'écoulement et d'améliorer les performances d'écoulement..

2.3.1 Résistance au frottement

La résistance au frottement est la résistance causée par la viscosité de l'eau et la rugosité de la paroi du revêtement.. La résistance de frottement peut être calculée à l'aide de l'équation de Darcy-Weisbach:

h_f = f × (L/D) × (v²/(2g)) (2.1)

Où: h_f est la perte de charge par frottement (m); f est le facteur de frottement; L est la longueur de la doublure fendue (m); D est le diamètre intérieur du revêtement (m); v est la vitesse moyenne d'écoulement dans le liner (MS); g est l'accélération due à la gravité (m/s²).

Le facteur de frottement f est lié au nombre de Reynolds (Concernant) et la rugosité relative (e/D) du mur de revêtement. La rugosité relative ε/D est le rapport de la rugosité absolue de la paroi du revêtement (e) au diamètre intérieur du revêtement (ré). Pour les revêtements à parois lisses (tels que les revêtements en acier inoxydable), le facteur de frottement f est petit, et la résistance au frottement est faible. Pour les revêtements à parois rugueuses (tels que les revêtements en acier au carbone avec corrosion), le facteur de frottement f est grand, et la résistance au frottement est élevée.

2.3.2 Résistance locale aux machines à sous

La résistance locale au niveau des fentes est la principale composante de la résistance à l'écoulement des revêtements à fentes. Lorsque l'eau s'écoule à travers les fentes de la formation vers le revêtement, la direction du flux change brusquement, et des tourbillons sont générés sur les bords des fentes, entraînant une perte de charge locale. La perte de charge locale au niveau des fentes peut être calculée à l'aide de l'équation suivante:

h_j = ζ × (v_s²/(2g)) (2.2)

Où: h_j est la perte de charge locale au niveau des fentes (m); ζ est le coefficient de résistance locale; v_s est la vitesse d'écoulement à travers les fentes (MS).

Le coefficient de résistance locale ζ est lié à la forme de la fente, largeur de fente, densité d'emplacement, et la vitesse d'écoulement. Les fentes rectangulaires ont un coefficient de résistance locale plus petit que les fentes triangulaires ou circulaires. L'augmentation de la largeur et de la densité des fentes peut réduire la vitesse d'écoulement à travers les fentes., réduisant ainsi la perte de charge locale.

2.3.3 Résistance causée par le dépôt de particules de sable

Comme mentionné plus tôt, le dépôt de particules de sable près de l’ouverture de la fente formera un gâteau de filtration, ce qui augmente la résistance à l'écoulement. La résistance provoquée par le dépôt de particules de sable est liée à l'épaisseur et à la perméabilité du gâteau de filtration.. Plus le gâteau de filtration est épais et plus sa perméabilité est faible, plus la résistance à l'écoulement est grande. Pour réduire cette résistance, il est nécessaire d'optimiser les paramètres de conception du revêtement fendu pour favoriser la formation d'un gâteau de filtration fin et perméable.

2.4 Influence des paramètres de formation sur les performances de contrôle du sable

Les performances de contrôle du sable des revêtements à fentes ne sont pas seulement affectées par leurs propres paramètres de conception, mais également par les paramètres de formation de l'aquifère.. Les principaux paramètres de formation qui affectent les performances de contrôle du sable comprennent la distribution granulométrique du sable de formation., la porosité et la perméabilité de l'aquifère, et la pression de formation.

2.4.1 Distribution granulométrique du sable de formation

La distribution granulométrique du sable de formation est le facteur clé déterminant la largeur de fente du revêtement à fentes.. La taille médiane des particules (d50) et le coefficient d'uniformité (Cu) sont couramment utilisés pour décrire la distribution granulométrique du sable de formation. Le coefficient d'uniformité Cu est le rapport de la taille des particules correspondant à 60% passage (d60) à la taille des particules correspondant à 10% passage (d10), c'est-à-dire, Avec = d60/d10. Pour un sable de formation bien trié (Cu < 2), la distribution granulométrique est étroite, et la largeur de la fente peut être sélectionnée comme 1.5-2.0 fois d50. Pour sable de formation mal trié (Cu > 3), la distribution granulométrique est large, et la largeur de la fente doit être sélectionnée comme 2.0-2.5 fois d50 pour assurer l'effet de contrôle du sable.

2.4.2 Porosité et perméabilité de l'aquifère

La porosité et la perméabilité de l'aquifère affectent la vitesse d'écoulement de l'eau dans la formation et la formation des ponts de sable. Les aquifères à porosité et perméabilité élevées ont un rendement en eau élevé, mais la vitesse d'écoulement est également élevée, ce qui n'est pas propice à la formation de ponts de sable. Dans ce cas, la densité et la largeur des fentes doivent être augmentées de manière appropriée pour réduire la vitesse d'écoulement à travers les fentes et favoriser la formation de ponts de sable. Les aquifères à faible porosité et perméabilité ont un faible rendement en eau, et la vitesse d'écoulement est faible, ce qui est propice à la formation de ponts de sable. Cependant, pour assurer le rendement en eau, la densité et la largeur des fentes ne doivent pas être trop petites.

2.4.3 Pression de formation

La pression de formation affecte la résistance structurelle du revêtement à fentes. Une pression de formation élevée entraînera une contrainte importante sur le revêtement, ce qui peut entraîner une déformation ou un endommagement du revêtement. C’est pourquoi, pour aquifères à haute pression, des doublures à fentes avec une épaisseur suffisante et des matériaux à haute résistance doivent être sélectionnées. De plus,, une pression de formation élevée augmentera la vitesse d’écoulement de l’eau, ce qui n'est pas propice à la formation de ponts de sable. C’est pourquoi, les paramètres de conception des fentes doivent être optimisés pour s'adapter à l'environnement à haute pression.

3. Paramètres de conception clés des revêtements à fentes et leur influence

3.1 Largeur de fente

La largeur des fentes est l'un des paramètres de conception les plus importants des revêtements à fentes, ce qui affecte directement l'efficacité du contrôle du sable et les performances d'écoulement. Le choix de la largeur des fentes doit équilibrer l'effet de contrôle du sable et la capacité d'écoulement..

3.1.1 Influence sur l'efficacité du contrôle du sable

Comme mentionné plus tôt, l'efficacité du contrôle du sable des revêtements à fentes est principalement déterminée par les mécanismes de tamisage mécanique et de formation de ponts de sable. Une largeur de fente plus petite est bénéfique pour le tamisage mécanique, qui peut retenir plus de particules de sable. Cependant, si la largeur de la fente est trop petite, il sera difficile pour les particules de sable de former un pont de sable stable, et les fentes sont facilement obstruées par de fines particules de sable, ce qui entraîne une efficacité réduite du contrôle du sable à long terme. Une plus grande largeur de fente favorise la formation d'un pont de sable stable, mais cela peut laisser passer certaines fines particules de sable, réduisant l'efficacité initiale du contrôle du sable.

Des études expérimentales ont montré que lorsque la largeur de la fente est 1.5-2.5 fois la taille médiane des particules (d50) du sable de formation, la meilleure efficacité de contrôle du sable peut être obtenue. Par exemple, si le d50 du sable de formation est 0.2 mm, la largeur de la fente doit être choisie entre 0.3 mm et 0.5 mm. Dans cette gamme, le revêtement peut non seulement retenir la plupart des particules de sable grâce à un tamisage mécanique, mais également former un pont de sable stable pour bloquer les fines particules de sable.

3.1.2 Influence sur les performances de débit

La largeur des fentes a un impact significatif sur la résistance à l'écoulement des revêtements à fentes. Une plus grande largeur de fente peut augmenter la zone d'écoulement des fentes, réduire la vitesse d'écoulement à travers les fentes, et ainsi réduire la perte de charge locale. Les résultats expérimentaux montrent que lorsque la largeur de la fente augmente de 0.3 mm à 0.5 mm, le débit du revêtement à fentes augmente d'environ 30-50% sous la même différence de pression. Cependant, une largeur de fente excessive réduira la résistance structurelle du revêtement, il est donc nécessaire de limiter la largeur maximale de la fente en fonction du matériau et de l'épaisseur du revêtement.

3.2 Densité des emplacements

La densité des fentes fait référence au nombre de fentes par unité de longueur ou de surface unitaire du revêtement à fentes, qui est un autre paramètre de conception important affectant les performances d'écoulement et la résistance structurelle.

3.2.1 Influence sur les performances de débit

L'augmentation de la densité des fentes peut augmenter la surface d'écoulement totale des fentes, réduire la vitesse d'écoulement à travers chaque fente, et ainsi réduire la perte de charge locale et améliorer la capacité d'écoulement. Par exemple, lorsque la densité des emplacements augmente de 10 emplacements par mètre pour 20 emplacements par mètre, le débit du revêtement à fentes augmente d'environ 20-30% sous la même différence de pression. Cependant, l'augmentation de la densité des fentes est limitée par la résistance structurelle du revêtement. Une densité de fentes excessive réduira la section transversale effective de la paroi du revêtement., conduisant à une diminution significative de la résistance structurelle.

3.2.1 Influence sur la résistance structurelle

La résistance structurelle du revêtement à fentes diminue avec l'augmentation de la densité des fentes.. En effet, les fentes réduisent la surface d'appui effective de la paroi du revêtement., et la concentration de contraintes sur les bords des fentes augmente. Les résultats de l'analyse par éléments finis montrent que lorsque la densité des emplacements dépasse une certaine limite (tel que 30 emplacements par mètre pour un 6 mm d'épaisseur en acier Q355 avec un 0.4 Largeur de l'emplacement MM), la contrainte maximale du revêtement sous la pression de formation dépassera la limite d'élasticité du matériau, conduisant à une déformation plastique. C’est pourquoi, la densité des fentes doit être optimisée en fonction de l'équilibre entre les performances d'écoulement et la résistance structurelle.

3.3 Forme de fente

Les formes de fentes courantes des doublures à fentes incluent le rectangulaire, triangulaire, circulaire, et trapézoïdal. Différentes formes de fentes ont des effets différents sur l'efficacité du contrôle du sable, performances de débit, et la résistance structurelle.

3.3.1 Influence sur l'efficacité du contrôle du sable

Les fentes rectangulaires offrent la meilleure efficacité de contrôle du sable parmi les formes de fentes courantes. En effet, les fentes rectangulaires ont une ouverture plate., ce qui est propice à la formation d'un pont de sable stable. Le pont de sable formé au niveau de l'ouverture de la fente rectangulaire est plus stable que celui de l'ouverture de la fente triangulaire ou circulaire., ce qui peut mieux bloquer les fines particules de sable. Les fentes triangulaires ont une mauvaise efficacité de contrôle du sable car l'ouverture étroite de la fente est facilement obstruée par de fines particules de sable.. Les fentes circulaires ont une surface intérieure lisse, ce qui n'est pas propice à la formation d'un pont de sable, leur efficacité de contrôle du sable est donc également inférieure à celle des fentes rectangulaires.

3.3.2 Influence sur les performances de débit

Les fentes rectangulaires ont également de bonnes performances de débit. L'ouverture plate des fentes rectangulaires réduit la résistance à l'écoulement, et la répartition de la vitesse d'écoulement à travers les fentes est plus uniforme. Les fentes circulaires ont une surface intérieure lisse, ce qui peut réduire la résistance de friction entre le débit d'eau et la paroi de la fente, mais leur surface d'écoulement est plus petite que celle des fentes rectangulaires de même largeur de fente, leur performance de débit est donc légèrement inférieure à celle des fentes rectangulaires. Les fentes triangulaires ont les pires performances de débit en raison de leur ouverture étroite et de leur grande résistance locale..

3.3.3 Influence sur la résistance structurelle

La résistance structurelle du revêtement fendu est également affectée par la forme de la fente.. La concentration des contraintes sur les bords des fentes est le principal facteur affectant la résistance structurelle. Les fentes rectangulaires aux coins arrondis ont la plus petite concentration de contraintes, tandis que les fentes rectangulaires aux angles vifs ont la plus grande concentration de contraintes. Les fentes triangulaires et circulaires ont une concentration de contraintes modérée. C’est pourquoi, pour améliorer la résistance structurelle du revêtement fendu, des fentes rectangulaires aux coins arrondis sont recommandées.

3.4 Arrangement de créneaux

Les dispositions courantes de fentes des doublures à fentes incluent une disposition parallèle et une disposition décalée. Différentes dispositions de fentes ont des effets différents sur les performances d'écoulement et l'efficacité du contrôle du sable.

3.4.1 Influence sur les performances de débit

La disposition à fentes décalées offre de meilleures performances de débit que la disposition à fentes parallèles. En effet, la disposition décalée peut permettre au débit d'eau de pénétrer plus uniformément dans le revêtement., réduisant la vitesse d'écoulement locale et les courants de Foucault. Les résultats expérimentaux montrent que sous la même largeur de fente et la même densité de fente, le débit du revêtement à fentes avec une disposition de fentes décalées est 10-15% supérieur à celui obtenu avec une disposition à fentes parallèles. De plus,, la disposition en quinconce peut réduire l'érosion de la formation à proximité du revêtement par l'écoulement de l'eau, ce qui est bénéfique à la stabilité de la formation.

3.4.2 Influence sur l'efficacité du contrôle du sable

La disposition des fentes décalées offre également une meilleure efficacité de contrôle du sable que la disposition des fentes parallèles. La distribution uniforme de la vitesse d'écoulement de la disposition décalée favorise la formation d'un pont de sable stable au niveau de chaque ouverture de fente.. En revanche, la disposition des fentes parallèles peut provoquer une répartition inégale de la vitesse d'écoulement, ce qui entraîne une mauvaise formation de ponts de sable au niveau de certaines ouvertures de fentes et réduit ainsi l'efficacité du contrôle du sable.

3.5 Épaisseur et matériau du revêtement

L'épaisseur et le matériau du revêtement sont des facteurs importants affectant la résistance structurelle et la durée de vie des revêtements à fentes..

3.5.1 Influence sur la résistance structurelle

L'augmentation de l'épaisseur du revêtement peut améliorer considérablement la résistance structurelle du revêtement à fentes.. En effet, le revêtement plus épais a une surface d'appui efficace plus grande., ce qui peut réduire la concentration de contraintes sur les bords des fentes et améliorer la résistance à la pression de formation. Les résultats de l'analyse par éléments finis montrent que lorsque l'épaisseur du revêtement augmente de 4 mm à 8 mm, la contrainte maximale du revêtement fendu sous la même pression de formation diminue d'environ 40-50%. Cependant, une épaisseur excessive du revêtement augmentera le coût et réduira le diamètre intérieur du revêtement, ce qui affecte la capacité de débit. C’est pourquoi, l'épaisseur du revêtement doit être raisonnablement sélectionnée en fonction de la pression de formation et du matériau du revêtement.

3.5.2 Influence sur la durée de vie

Le matériau du revêtement affecte directement la durée de vie du revêtement à fentes. Comme mentionné plus tôt, l'acier inoxydable a une meilleure résistance à la corrosion que l'acier au carbone, il a donc une durée de vie plus longue dans les environnements d'eau souterraine corrosifs. Les matériaux FRP ont une excellente résistance à la corrosion et un poids léger, mais leur résistance mécanique est inférieure à celle de l'acier, ils ne conviennent donc qu'aux aquifères à basse pression. C’est pourquoi, le matériau du revêtement doit être sélectionné en fonction de la qualité des eaux souterraines et de la pression de formation.

4. Méthode d'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau

4.1 Objectifs et contraintes d’optimisation

L'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau est un problème d'optimisation multi-objectifs, qui vise à équilibrer l’efficacité du contrôle du sable, performances de débit, et la résistance structurelle. Les objectifs et contraintes spécifiques d’optimisation sont les suivants:

4.1.1 Objectifs d'optimisation

(1) Maximiser l’efficacité du contrôle du sable: Assurez-vous que le revêtement fendu peut retenir efficacement les particules de sable de formation, et la teneur en sable dans l'eau produite est inférieure à la limite autorisée (généralement 0.01-0.05%). (2) Maximiser la capacité de débit: Minimiser la résistance à l'écoulement du revêtement à fentes, et maximiser le rendement en eau sous la même différence de pression. (3) Maximiser la résistance structurelle: Assurez-vous que le revêtement fendu peut résister à la pression de formation et éviter la déformation plastique ou la fracture pendant le service..

4.1.2 Contraintes d'optimisation

(1) Contrainte de largeur de fente: La largeur de la fente doit être comprise entre 1.5-2.5 fois la taille médiane des particules du sable de formation pour assurer l'effet de contrôle du sable. (2) Contrainte de densité d'emplacement: La densité des fentes ne doit pas dépasser la valeur maximale autorisée déterminée par la résistance structurelle du revêtement.. (3) Contrainte d'épaisseur de revêtement: L'épaisseur du revêtement doit être suffisante pour résister à la pression de formation, et la contrainte maximale du revêtement ne doit pas dépasser la limite d'élasticité du matériau. (4) Contrainte de coût: Le coût total de la doublure à fente (y compris le coût du matériel, coût de fabrication, et coût d'installation) devrait être dans le budget.

4.2 Méthode d'optimisation du couplage multifacteur

Pour réaliser l’optimisation multi-objectif des liners à fentes, une méthode d'optimisation du couplage multifactoriel basée sur une analyse théorique, simulation numérique, et des tests expérimentaux sont proposés. Les étapes spécifiques sont les suivantes:

4.2.1 Analyse théorique et initialisation des paramètres

D'abord, basé sur la distribution granulométrique du sable de formation, la valeur initiale de la largeur de la fente est déterminée (1.5-2.5 fois d50). Selon la pression de formation et le matériau du revêtement, la valeur initiale de l'épaisseur du revêtement est déterminée. Basé sur l'équilibre entre la performance d'écoulement et la résistance structurelle, la valeur initiale de la densité des emplacements est déterminée. La forme de la fente est initialement sélectionnée comme une fente rectangulaire avec des coins arrondis, et la disposition des fentes est initialement sélectionnée comme une disposition en quinconce.

4.2.2 Simulation numérique et évaluation des performances

Établir le modèle d'éléments finis et le modèle CFD du revêtement à fentes pour simuler et évaluer la résistance structurelle et les performances d'écoulement. (1) Simulation de résistance structurelle: Utiliser un logiciel d'analyse par éléments finis (comme ANSYS) pour simuler la répartition des contraintes du revêtement fendu sous la pression de formation, et vérifiez si la contrainte maximale dépasse la limite d'élasticité du matériau. (2) Simulation des performances de flux: Utiliser un logiciel CFD (comme Courant) pour simuler le champ d'écoulement autour du revêtement fendu, calculer le débit et la chute de pression dans différentes conditions de débit, et évaluer la résistance à l'écoulement. (3) Simulation de l'efficacité du contrôle du sable: Utiliser la méthode des éléments discrets (DEM) pour simuler le mouvement des particules de sable à proximité du revêtement fendu, et évaluer l'efficacité du contrôle du sable.

4.2.3 Tests expérimentaux et validation de modèles

Fabriquer les échantillons de revêtement à fentes selon les paramètres de conception initiaux, et réaliser des tests expérimentaux pour vérifier les résultats de simulation numérique. (1) Test d'efficacité du contrôle du sable: Utilisez un appareil de test de contrôle du sable pour tester la teneur en sable de l'eau produite dans différentes conditions d'écoulement., et vérifier l'efficacité du contrôle du sable. (2) Test de performance de débit: Utilisez un appareil de test de débit pour tester le débit et la chute de pression des échantillons de revêtement à fente sous différentes différences de pression., et vérifier les performances du flux. (3) Essai de résistance structurelle: Utilisez un appareil de test de pression pour tester la pression maximale à laquelle les échantillons de revêtement fendu peuvent résister., et vérifier la résistance structurelle.

4.2.4 Optimisation et itération des paramètres

Comparer les résultats de simulation et expérimentaux avec les objectifs d’optimisation. Si les objectifs ne sont pas atteints, ajuster les paramètres de conception (comme la largeur de la fente, densité d'emplacement, épaisseur du revêtement) et répéter les étapes de simulation numérique et de tests expérimentaux jusqu'à ce que les objectifs d'optimisation soient atteints. Le processus d'optimisation peut être assisté par des algorithmes d'optimisation (comme l'algorithme génétique, algorithme d'optimisation d'essaim de particules) pour améliorer l'efficacité de l'optimisation.

4.3 Établissement d'un modèle d'éléments finis pour les revêtements à fentes

Prenant comme exemple un revêtement à fentes en acier Q355 utilisé dans un aquifère de sable meuble, l'établissement du modèle éléments finis est introduit. Les principaux paramètres de la doublure fendue sont les suivants: diamètre intérieur 200 mm, diamètre extérieur 212 mm (épaisseur du revêtement 6 mm), largeur de fente 0.4 mm, longueur de fente 50 mm, densité d'emplacement 20 emplacements par mètre, forme de fente rectangulaire avec coins arrondis (rayon de coin 0.1 mm), disposition des créneaux en quinconce.

4.3.1 Modélisation géométrique

Utilisez le logiciel ANSYS DesignModeler pour établir le modèle géométrique 3D du revêtement à fentes. Le modèle comprend le corps du liner et les fentes. Pour simplifier le modèle, les fentes sont réparties uniformément sur la paroi du revêtement en quinconce. Petites fonctionnalités qui ont peu d'impact sur la répartition des contraintes (comme des bavures sur les bords des fentes) sont ignorés.

4.3.2 Génération de maillage

Utiliser le logiciel ANSYS Meshing pour générer le maillage du modèle éléments finis. Compte tenu de la concentration des contraintes sur les bords des fentes, le maillage près des fentes est affiné. Le type de maillage est un élément tétraédrique, et la taille des mailles près des fentes est 0.5 mm, tandis que la taille des mailles du corps du revêtement est 2 mm. Après génération du maillage, la qualité du maillage est vérifiée. Le rapport hauteur/largeur moyen du maillage est 1.6, l'asymétrie moyenne est 0.25, et l'orthogonalité moyenne est 0.75, qui répondent tous aux exigences du calcul par éléments finis. Le nombre total d'éléments du maillage est 1,250,000, et le nombre total de nœuds est 2,180,000.

4.3.3 Réglage des paramètres matériels

Le matériau de la doublure fendue est de l'acier Q355, avec une densité de 7850 kg/m³, module élastique de 206 GPa, Coefficient de Poisson de 0.3, limite d'élasticité de 355 MPA, et la résistance à la traction de 470-630 MPA.

4.3.4 Définition des conditions aux limites

Le revêtement fendu est soumis à une pression de formation uniforme de l'extérieur. La pression de formation est fixée à 5 MPA. Les deux extrémités du revêtement sont fixées pour simuler les conditions réelles d'installation. Le déplacement des nœuds d'extrémité dans le x, oui, et les directions z sont contraintes à zéro.

4.4 Analyse de simulation des revêtements à fentes

Utilisation du modèle d'éléments finis établi, la résistance structurelle et les performances d'écoulement du revêtement à fentes sont simulées et analysées.

4.4.1 Analyse de la résistance structurelle

Les résultats de l'analyse de la résistance structurelle montrent que la contrainte maximale du revêtement fendu sous la pression de formation de 5 MPa est 286 MPA, qui est situé aux coins arrondis des fentes. La contrainte maximale est inférieure à la limite d'élasticité de l'acier Q355 (355 MPA), indiquant que le revêtement fendu a une résistance structurelle suffisante. La répartition des contraintes du corps du revêtement est uniforme, et la contrainte sur le corps du revêtement est d'environ 120-150 MPA, ce qui est bien inférieur à la limite d'élasticité du matériau.

Pour vérifier davantage la stabilité structurelle du revêtement à fentes, une analyse de flambement est effectuée. Les résultats de l'analyse de flambement aux valeurs propres montrent que la première pression critique de flambement du revêtement fendu est 18 MPA, lequel est 3.6 fois la pression de formation (5 MPA), indiquant que le revêtement fendu a une stabilité structurelle suffisante.

4.4.2 Analyse des performances de flux

Utilisez le logiciel Fluent pour établir le modèle CFD du revêtement fendu. Le modèle comprend le revêtement fendu et le fluide environnant (eau). Les conditions aux limites sont définies comme suit: la limite d'entrée est la surface extérieure du revêtement fendu, et la pression d'entrée est 5 MPA; la limite de sortie est la surface intérieure du revêtement fendu, et la pression de sortie est 0 MPA; la surface murale du revêtement à fentes est définie comme une limite antidérapante.

Les résultats de l'analyse des performances d'écoulement montrent que la vitesse moyenne d'écoulement à travers les fentes est 1.2 MS, et le débit total du revêtement à fentes est 120 m³ / h. La chute de pression du revêtement fendu est 0.8 MPA, qui se situe dans la plage autorisée. La répartition de la vitesse d'écoulement à travers les fentes est uniforme, et il n'y a pas de courant de Foucault évident, indiquant que le revêtement fendu a de bonnes performances d'écoulement.

4.4.3 Analyse de l'efficacité du contrôle du sable

Utilisez la méthode de couplage DEM-FLUENT pour simuler l'efficacité du contrôle du sable du revêtement à fentes. Les particules de sable sont définies sous forme de particules sphériques d'une densité de 2650 kg/m³, et la distribution granulométrique est d10 = 0,1 mm, d50=0,2mm, d60=0,3mm (Cu=3). Les résultats de simulation montrent que la teneur en sable de l'eau produite est 0.02%, qui est inférieur à la limite autorisée de 0.05%, indiquant que le revêtement fendu a une bonne efficacité de contrôle du sable.

5. Étude de cas d'ingénierie sur des revêtements à fentes optimisés pour le contrôle du sable dans les puits d'eau

5.1 Aperçu du projet

Pour vérifier l'effet d'application pratique du revêtement à fente optimisé, un projet de contrôle du sable de puits d'eau dans un aquifère de sable meuble dans le nord de la Chine est choisi comme exemple. La zone du projet est située dans une zone de plaine avec d'abondantes ressources en eaux souterraines. L'aquifère est un aquifère de sable meuble d'une épaisseur de 30-50 m. La distribution granulométrique du sable de formation est d10=0,15 mm, d50=0,25mm, d60=0,45mm (Cu=3). La pression de formation est 4 MPA, et les eaux souterraines sont de l'eau douce sans corrosion évidente.

Le puits d'eau du projet a une profondeur de 80 m et un diamètre intérieur de 250 mm. Le puits est en service depuis 5 années, et une production importante de sable s'est produite ces dernières années, entraînant l'abrasion de la pompe submersible et une diminution significative du débit d'eau (De 150 m³/h à 80 m³ / h). Pour résoudre le problème de la production de sable, il est décidé d'adopter le revêtement à fente optimisé pour la transformation du contrôle du sable.

5.2 Conception et optimisation de doublures à fentes pour le projet

5.2.1 Paramètres de conception initiaux

Basé sur l'analyse théorique, les paramètres de conception initiaux du revêtement fendu sont déterminés comme suit: matériau du revêtement acier Q355, épaisseur du revêtement 6 mm, diamètre intérieur 200 mm, diamètre extérieur 212 mm, largeur de fente 0.4 mm (1.6 fois d50), longueur de fente 50 mm, densité d'emplacement 20 emplacements par mètre, forme de fente rectangulaire avec coins arrondis (rayon de coin 0.1 mm), disposition des créneaux en quinconce.

5.2.2 Processus d'optimisation

Utilisation de la méthode d'optimisation du couplage multifactoriel proposée au chapitre 4, les paramètres de conception initiaux sont optimisés. D'abord, le modèle d'éléments finis et le modèle CFD du revêtement à fentes sont établis pour simuler la résistance structurelle, performances de débit, et efficacité du contrôle du sable. Les résultats de la simulation montrent que la contrainte maximale du revêtement fendu sous la pression de formation est 265 MPA (moins de 355 MPA), le débit est 130 m³ / h, et la teneur en sable de l'eau produite est 0.03% (moins de 0.05%). Les résultats de simulation répondent aux objectifs d’optimisation, mais le débit peut être encore amélioré.

Pour améliorer le débit, la densité des emplacements est augmentée à 25 emplacements par mètre, et la largeur de la fente est augmentée à 0.45 mm. Les résultats de simulation après optimisation montrent que la contrainte maximale du revêtement fendu est 312 MPA (encore moins que 355 MPA), le débit est 155 m³ / h, et la teneur en sable de l'eau produite est 0.04% (encore moins que 0.05%). Les objectifs d’optimisation sont pleinement atteints, les paramètres de conception finaux sont donc déterminés comme suit: matériau du revêtement acier Q355, épaisseur du revêtement 6 mm, diamètre intérieur 200 mm, diamètre extérieur 212 mm, largeur de fente 0.45 mm, longueur de fente 50 mm, densité d'emplacement 25 emplacements par mètre, forme de fente rectangulaire avec coins arrondis (rayon de coin 0.1 mm), disposition des créneaux en quinconce.

5.3 Installation et construction de revêtements à fentes optimisés

L'installation et la construction du revêtement à fente optimisé s'effectuent selon les étapes suivantes:

(1) Bien nettoyer: Utilisez un outil de nettoyage de puits pour éliminer le sable et les sédiments dans le puits de forage afin d'assurer une installation en douceur du revêtement à fentes..

(2) Préfabrication du revêtement: Le revêtement à fentes est préfabriqué en usine selon les paramètres de conception finaux. Le traitement des fentes adopte la technologie de découpe laser pour garantir la précision de la largeur de la fente (erreur ±0,02 mm) et la douceur des bords des fentes.

(3) Transport et descente du Liner: Le revêtement fendu préfabriqué est transporté jusqu'au chantier de construction et descendu dans le puits de forage à l'aide d'une grue. Pendant le processus de descente, des mesures de protection sont prises pour éviter les collisions et les dommages au revêtement.

(4) Fixation et étanchéité: Le revêtement fendu est fixé à la position désignée dans le puits de forage à l'aide de centreurs, et l'espace entre le revêtement et le puits de forage est scellé avec du ciment pour empêcher le sable de pénétrer dans le puits de forage par l'espace.

(5) Tests d'achèvement de puits: Une fois l'installation terminée, un test de complétion du puits est effectué, y compris les tests de rendement en eau, test de la teneur en sable, et tests de pression, pour vérifier l'effet de contrôle du sable et les performances d'écoulement du revêtement à fentes.

5.4 Évaluation de l'effet de l'application

Après l'achèvement de la transformation du contrôle du sable, le puits d'eau est en service depuis 1 année, et l'effet de l'application est évalué par une surveillance et des tests sur site.

5.4.1 Évaluation de l'effet du contrôle du sable

La teneur en sable de l'eau produite est testée mensuellement. Les résultats des tests montrent que la teneur moyenne en sable est 0.03%, qui est inférieur à la limite autorisée de 0.05%. Pendant la période de service d'un an, il n'y a pas d'accumulation évidente de sable dans le puits de forage, et la pompe submersible fonctionne normalement sans abrasion. Cela indique que le revêtement fendu optimisé a un bon effet de contrôle du sable..

5.4.2 Évaluation des performances de flux

Le rendement en eau du puits est testé trimestriellement. Les résultats des tests montrent que le rendement moyen en eau est 152 m³ / h, ce qui est nettement supérieur au rendement en eau avant transformation (80 m³ / h) et répond aux exigences de conception de 150 m³ / h. La chute de pression du revêtement fendu est testée pour être 0.7 MPA, qui se situe dans la plage autorisée. Cela indique que le revêtement à fente optimisé a de bonnes performances de débit..

5.4.3 Évaluation des avantages économiques

L'avantage économique du projet est évalué sous l'angle du coût de transformation, coût d'entretien, et augmentation du rendement en eau. Les résultats montrent que: (1) Le coût total de transformation du puits est 80,000 yuan, y compris le coût de la doublure à fente optimisée (50,000 yuan) et le coût d'installation (30,000 yuan); (2) Avant la transformation, le coût annuel d'entretien du puits (incluant le remplacement de la pompe submersible et le nettoyage du puits) il s'agissait de 40,000 yuan. Après la transformation, le coût annuel de maintenance est réduit à 5,000 yuan, économie 35,000 yuans de frais de maintenance par an; (3) Le rendement en eau a augmenté de 72 m³/h après la transformation. Sur la base du prix de l'eau de 2 yuans/m³ et la durée de fonctionnement annuelle de 300 jours (7200 heures), la recette annuelle supplémentaire de l'eau est 72 × 7200 × 2 = 1,036,800 yuan. Un calcul complet montre que la période de récupération des investissements du projet de transformation du contrôle du sable est d'environ 0.08 années (moins de 1 mois), qui présente des avantages économiques importants.

De plus,, la doublure à fente optimisée a une bonne durabilité. Pendant la période de service d'un an, pas de corrosion, déformation, ou des dommages à la doublure ont été constatés, ce qui réduit la fréquence de maintenance des puits et améliore encore les avantages économiques du projet. L'application réussie du revêtement à fente optimisé dans ce projet fournit également une référence pour la transformation du contrôle du sable de puits d'eau similaires dans la région., qui a une certaine valeur promotionnelle.

6. Conclusion et perspectives

6.1 Principales conclusions

Cet article se concentre sur l'optimisation de la conception des revêtements à fentes pour le contrôle du sable dans les puits d'eau., et mène des recherches approfondies sur la base théorique, paramètres de conception clés, méthodes d'optimisation, simulation numérique, et application d'ingénierie. Les principales conclusions sont résumées comme suit:

(1) Les performances de contrôle du sable des revêtements à fentes sont entièrement affectées par les propriétés du matériau du revêtement., mécanismes de rétention du sable (tamisage mécanique, formation d'un pont de sable, dépôt de particules), principes de résistance à l'écoulement (résistance au frottement, résistance locale aux fentes, résistance au dépôt de sable), et paramètres de formation (distribution granulométrique du sable, porosité et perméabilité de l'aquifère, pression de formation). Parmi eux, la taille médiane des particules du sable de formation détermine la plage raisonnable de largeur de fente, et la pression de formation est le facteur principal affectant la sélection du matériau et de l'épaisseur du revêtement..

(2) Paramètres de conception clés des revêtements à fentes (largeur de fente, densité d'emplacement, forme de fente, disposition des emplacements, épaisseur et matériau du revêtement) ont des effets de couplage significatifs sur l'efficacité du contrôle du sable, performance d'écoulement et résistance structurelle. Les fentes rectangulaires aux coins arrondis et disposées en quinconce sont des choix optimaux pour équilibrer l'effet de contrôle du sable et les performances d'écoulement.; la largeur de la fente doit être contrôlée dans 1.5-2.5 fois la taille médiane des particules (d50) de sable de formation, et la densité des fentes doit être optimisée en fonction de la limite de résistance structurelle du matériau du revêtement.

(3) Une méthode d'optimisation du couplage multifactoriel intégrant une analyse théorique, une simulation numérique et des tests expérimentaux sont proposés. Cette méthode peut efficacement équilibrer les trois objectifs fondamentaux de l'efficacité du contrôle du sable, performance d'écoulement et résistance structurelle. Le modèle d'éléments finis établi par ANSYS et le modèle CFD établi par Fluent peuvent simuler avec précision la répartition des contraintes structurelles et les caractéristiques du champ d'écoulement des revêtements à fentes., fournir une base technique fiable pour l’optimisation des paramètres.

(4) La vérification du cas d'ingénierie montre que le revêtement à fente optimisé conçu par la méthode proposée présente d'excellents effets d'application pratique.. Après transformation de l'eau du puits en aquifère de sable meuble, la teneur moyenne en sable dans l'eau produite est 0.03% (inférieure à la limite autorisée de 0.05%), le rendement en eau est augmenté de 80 m³/h à 152 m³ / h, et la période de récupération des investissements est inférieure à 1 mois. Il présente des avantages économiques importants et une valeur promotionnelle pour des projets similaires.

6.2 Limites de la recherche

Bien que cet article ait obtenu certains résultats de recherche, il existe encore certaines limites qui doivent être améliorées dans les recherches futures:

(1) Le champ de recherche se concentre principalement sur les aquifères de sable meuble et les aquifères de gravier., et la recherche d'adaptabilité des revêtements à fentes dans des aquifères spéciaux (comme les aquifères fracturés, aquifères karstiques) est insuffisant. Le mécanisme de contrôle du sable et les exigences en matière de paramètres de conception des revêtements à fentes dans les aquifères spéciaux sont très différents de ceux des aquifères à sable meuble., qui méritent d'être approfondis.

(2) La simulation numérique et les tests expérimentaux présentés dans cet article sont réalisés dans des conditions de formation statique.. En ingénierie réelle, la formation peut avoir des changements dynamiques (comme le règlement de la formation, fluctuation du niveau d'eau), ce qui affectera les performances de service à long terme et la stabilité structurelle des revêtements à fentes. Il manque des recherches pertinentes sur l'adaptabilité des revêtements à fentes optimisés aux conditions de formation dynamiques..

(3) La méthode d'optimisation du couplage multifactoriel proposée dans cet article repose dans une certaine mesure sur l'itération et la vérification manuelles.. L’intégration d’algorithmes d’optimisation intelligents (comme l'algorithme génétique, optimisation des essaims de particules) et les modèles de simulation numérique n'ont pas été entièrement réalisés, ce qui entraîne une efficacité d'optimisation limitée.

6.3 Perspectives de recherche futures

Compte tenu des limites de la recherche et des besoins de développement de la technologie de contrôle du sable des puits d'eau, les futures orientations de recherche sont proposées comme suit:

(1) Élargir le champ de la recherche aux aquifères spéciaux. Réaliser des recherches approfondies sur le mécanisme de contrôle du sable des revêtements fendus dans les aquifères fracturés et les aquifères karstiques, établir des modèles d'optimisation de conception ciblés, et améliorer l'adaptabilité de la technologie de contrôle du sable à revêtement à fentes à différents types d'aquifères.

(2) Renforcer la recherche sur les conditions dynamiques de formation. Grâce à la simulation physique intérieure et à la simulation numérique, simuler les changements dynamiques de la formation (comme le règlement de la formation, fluctuation du niveau d'eau), étudier les performances de service à long terme et la stabilité structurelle des revêtements à fentes dans des conditions dynamiques, et proposer des stratégies de renforcement et de maintenance correspondantes.

(3) Développer un système de conception intelligent pour les doublures à fentes. Intégrer des algorithmes d'optimisation intelligents, logiciel de simulation numérique et base de données d'ingénierie pour créer une plateforme de conception intelligente. Réaliser la mise en correspondance et l'optimisation automatiques des paramètres de conception en fonction des conditions de formation et des exigences techniques, et améliorer l'efficacité et la fiabilité de la conception.

(4) Explorez de nouveaux matériaux et de nouvelles structures de doublures à fentes. Rechercher et développer des matériaux composites hautes performances (tels que les composites renforcés de fibres de carbone) avec une meilleure résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques; explorez de nouvelles structures de machines à sous (comme les fentes à largeur variable, fentes incurvées) pour améliorer encore l'efficacité du contrôle du sable et les performances d'écoulement.

(5) Renforcer la surveillance sur site à long terme et l’accumulation de données. Effectuer un suivi et une surveillance à long terme des puits d'eau à l'aide de revêtements à fentes optimisés, collecter des données sur la teneur en sable, rendement en eau, état du revêtement et autres indicateurs, établir une base de données de performances à long terme, et fournir un support de données pour l'optimisation et l'amélioration continues de la technologie de conception des revêtements à fentes.