Диссертация: Районирование территории Республики Беларусь по применению методов регенерации водозаборов подземных вод

?Q - общий прирост производительности всех скважин ?Q = 34 м³ / ч;

t - плановое число часов работы погружных насосов в сутки, t = 24 ч;

n - расчетное число дней в году, n = 365;

к - коэффициент стабильности работы скважин в течение года, к = 0,85;

Ф - стоимость электроэнергии, Ф = 64,3 руб/кВт•ч;

q - удельный расход электроэнергии на подачу 1 м³ воды потребителю, q = 0,51 кВт•ч/ м³ ;

С - среднесуточная стоимость реализации 1 м³ воды определялась по данным УП «Минскводоканал» из расчета что 80 % потребителей воды являются физические лица, для которых стоимость воды на 1 мая 2002 г. и на 1 июня 2003 г. составляла соответственно 66,5 руб и 113,4 руб, а средняя за период составляла С_ф = (66,5 + 113,4)/2 = 90 руб, оставшиеся 20 % потребителей воды юридические лица со стоимостью воды 432 руб (1 мая 2002 г.) и 520 руб (1 июня 2003 г.) и средней стоимостью за этот период С_ю = (432 + 520)/2 = 476 руб; окончательно С = 0,2• С_ю + 0,8• С_ф = 0,2• 476 + 0,8 • 90 = 167 руб;

Тогда годовой экономический эффект составит Э_год = V•С - V•q•Ф - З_Т1 = 275502•167 - 275502 • 0,51•64,3 - 1500000 = 35474297 руб.

В пересчете на доллары США с учетом инфляции Э_год = 3547797/2000•1,05 = 18 624$;

Где 1,05 коэффициент, учитывающий инфляцию доллара за расчетный период;

2000 - средний курс доллара за май 2002- апрель 2003 г.

ГЛАВА 4

ОПТИМИЗАЦИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН

4.1. Прогноз кольматажа скважин и определение рациональных сроков их регенерации

Многолетний опыт эксплуатации водозаборных скважин показывает, что их дебит существенно уменьшается во времени в связи с развитием кольматажа фильтров и призабойных зон. Поэтому необходимо прогнозировать интенсивность этого процесса, чтобы проектировать профилактические методы восстановления производительности водозаборов или перебуривание скважин [6].

Результаты исследования строения призабойных зон и фильтров скважин, находящихся в эксплуатации [6], а также характеристика основных физико-химических процессов, определяющих течение и интенсивность химического кольматажа, позволяют заключить, что в общем случае процесс оказывается зависящим от многочисленных факторов: химического состава подземных вод, химического и гранулометрического состава водовмещающих пород (гравийных обсыпок), наличия железобактерий и водорослей, конструкции водоприемной части скважины, ее производительности, коагуляция коллоидных растворов и различных видов сорбции растворенных в воде солей, типа водоподъемного оборудования, режима эксплуатации и др.

Совершенно очевидно, что в природных условиях будет действовать совокупность указанных выше факторов с различной степенью интенсивности. Этим, в частности, объясняется тот факт, что в пределах водозабора в одних геологических и гидрогеологических условиях, при одинаковых конструкциях скважин и фильтров, способах бурения и освоения никогда не получают равнозначных параметров, характеризующих работу рядом стоящих скважин (дебит, понижение уровня, сопротивление фильтра и др.). Такое многообразие факторов не может быть учтено при аналитическом решении задачи об интенсивности процесса химического кольматажа а различных гидрогеологических условиях [6].

Процесс кольматажа фильтров и прифильтровых зон скважин, представляющий собой пестепенное и в разной степени интенсивное отложение кольматирующих соединений, характеризуется уменьшением скважности фильтра и пористости пород в прифильтровой зоне, а также коэффициента фильтрации. Следовательно, изменение сопротивления фильтра и прифильтровой зоны может быть объяснено на основе гидравлических исследований фильтров [6].

При гидравлическом прогнозе изменения производительности скважин эффективным является анализ графиков изменения удельных дебитов скважин. Для анализа изменения удельного дебита скважин Н. Д. Бессоновым предложено аппроксимировать опытные данные экспоненциальной функцией времени:

q_t = q_{0 *} e^-вt ; (4.1)

где q_t - удельный дебит скважины в рассматриваемый момент времени t; q₀ - начальный удельный дебит скважины; в - коэффициент «старения» скважины.

При оценке межремонтного периода исходили из того, что при действии водозаборных скважин в режиме постоянного водоотбора, кольматаж их приводит к росту понижения уровня. Когда эта величина достигает предельных значений, дальнейшая эксплуатация скважин невозможна, так как происходит сработка динамического уровня до всасывающей кромки насоса, скважины работают с прикрытыми задвижками не на полную производительность.

Если скважины действуют в режиме постоянного понижения уровней, то наблюдается непрерывное снижения их дебита и в конечном счете через какой - то период времени суммарная подача воды станет меньше требуемой [16,17,18].

Работы, по изучению изменения удельного дебита, проводились на водозаборов городов Минска, Гомеля, Могилева на скважинах, находящихся в различных гидрогеологических условиях, оборудованных сетчатыми, проволочными, дырчатыми и др. фильтрами или бесфильтровой конструкции с различным сроком эксплуатации до восстановительных обработок и после.

Исследования по изучению изменения удельного дебита проводились на скважинах 11 - ти водозаборов г. Минска, оборудованными проволочными, сетчатыми и каркасно-стержневыми фильтрами, которые каптируют воду из двух водоносных горизонтов днепровско-сожского (f, IgIId - sz) и верхнепротерозойского (V vd), с различными сроками эксплуатации до восстановительных обработок и первоначальными удельными дебитами.

Для получения параметра, характеризующего интенсивность старения скважины, опытные данные аппроксимировались графиком зависимости:

q_t /q₀ = e^-вt ; (4.2)

При обработке данных об изменении удельных дебитов, на основании паспортных данных скважин, выписывались величины первоначального удельного дебита q₀ и удельного дебита q_t , причем значение q_t соответствует моменту времени до проведения первого ремонта скважины. Затем полученные данные по удельным дебитам аппроксимировались экспоненциальной функцией. После этого определялся параметр старения в, который соответствует снижению удельного дебита на 25% в сравнении с первоначальным дебитом.

Таким образом, в качестве критерия сравнения интенсивности изменения сопротивлений фильтров и прифильтровых зон скважин рассматривался коэффициент «старения» в, определенного по теоретической кривой в координатах q_t /q₀ ч t без учета периода стабильной работы скважины.

Результаты изучения изменения интенсивности удельного дебита для скважин, пробуренных ударно - канатным (станоки УКС - 22м и УКС - 30м) и роторным (станоки УРБ - 3АМ, 1БА - 15В и ФА - 12) способами на водозаборах г. Минска представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Значения параметров зависимости снижения удельных дебитов от времени эксплуатации для скважин г. Минска

Результаты анализа показали (табл. 4.1), что наибольшую интенсивность «старения» имеют скважины, оборудованные каркасно-стержневыми с гравийной обсыпкой и проволочными с гравийной обсыпкой фильтрами. Их средний межремонтный период составляет соответственно от 2,1 до 2,9 года. Эти скважины были пробурены со средними и высокими первоначальными удельными дебитами. Скважины, оборудованные проволочными и сетчатыми фильтрами без устройства гравийной обсыпки, имеют значительно больший межремонтный период, который изменяется от 3,7 до 14,6 года, и были пробурены на низкие первоначальные удельные дебиты.

Быстрое «старение» фильтров, оборудованных гравийной обсыпкой, объясняется тем, что в начальный период эксплуатации таких скважин происходит интенсивное уплотнение гравийное обсыпки в прифильтровой зоне, вызванное неправильным подбором гранулометрического состава самой гравийной смеси, и несоблюдением технологии бурения при устройстве таких фильтров. Поэтому удельные дебиты скважин, оборудованных гравийной обсыпкой, имеют тенденцию резко уменьшаться в первые годы эксплуатации. Для исследования этой закономерности были проанализированы 209 скважин, оборудованных различными фильтрами и пробуренных в различных гидрогеологических условиях. Расчеты показали, что между первоначальными удельными дебитами и значением в установилась обратная связь с коэффициентом корреляции r = -0,51. Это означает, что при увеличении первоначального удельного дебита интенсивность «старения» скважины будет увеличиваться. Так как скважины, оборудованные гравийными обсыпками эксплуатируются на большие удельные дебиты, то следовательно именно у таких скважин наблюдается падение удельного дебита в начальный период эксплуатации.

При сравнении скважин, оборудованных фильтрами с гравийной обсыпкой, у скважин, пробуренных ударно - канатным способом наблюдается тенденция уменьшения интенсивности «старения» относительно первоначального удельного дебита по сравнению со скважинами пробуренных роторным способом с обратной промывкой забоя станком ФА - 12(табл. 4.1). При бурении скважин станком ФА - 12 с обратной промывкой забоя происходит подача воздуха от компрессоров в водоподъемные трубы эрлифта, при этом образуется водовоздушная смесь, кислород которой способен переводить окисное железо в закисное. При остановках эрлифта столб воды обрывается, создавая избыточный напор в скважине, под влиянием которого происходит утечка воды из скважины в пласт. Вследствие этого в прифильтровой зоне могут накапливаться железистые соединения, понижающие пропускную способность фильтра [6].

Достоинство ударно - канатного способа бурения, по сравнению с роторным, состоит в том, что сооружение фильтров при ударно - анатном способе происходит под защитой обсадных колонн [6], что создает условия для быстрого формирования устойчивых арочных структур гравийной обсыпки в процессе эксплуатации.

Несмотря на быстрое снижение удельного дебита скважин с гравийными обсыпками в начальный период эксплуатации, эти скважины имеют постоянный достаточно большой удельный дебит при дальнейшей их работе в течение многих лет.

Опыт эксплуатации водозаборных скважин показывает, что их производительность и дренирующая способность существенно снижаются во времени вследствие зарастания фильтров и прифильтровых зон скважин гидратом железа, карбонатом кальция и силикатными образованиями [6]. Анализами состава осадков, отлагающихся на фильтре и гравийной обсыпке, установлено, что в составе осадков преобладают соединения железа и кальция [13].

Содержание железа в подземных водах г. Минска изменяется в пределах от 0,05 до 9,95 мг/л, а величина рН воды находится в пределах 7,15 - 8,4. При таких значениях рН закисное железо мигрирует в ионной форме. Поэтому кольматаж фильтров и прифильтровых зон гидрозакисью железа маловероятен. Но трехвалентное железо будет в форме коллоида или преимущественно даже в виде суспензии, поскольку коагуляция коллоидальной гидроокиси железа в зависимости от солевого состава воды происходит при рН = 6 - 7 [6]. Процесс кольматации фильтров соединениями железа будет идти только в окислительной обстановке при наличии в водах кислорода, необходимого для перевода иона железа в трехвалентную форму.

Критерием стабильности воды и способности к выделению осадков карбоната кальция является показатель Ризнера (Ri). Экспериментально установлено, что при Ri < 7 воды всегда склонны к выделению кольматирующих образований. Значения Ri в подземных водах г. Минска лежит в пределах от 7,12 до 8,76. При таких значениях показателя Ризнера воды способны кольматировать фильтры и прифильтровые зоны скважин главным образом соединениями железа и в меньшей степени солями жесткости. Это подтверждается исследованиями состава кольматирующих отложений [13].

Для выявления зависимости интенсивности кольматации от степени коррозионного воздействия воды (показателя Ризнера) (рис. 4.1) и содержания железа (рис. 4.2), были проанализированы 179 скважин. Коэффициенты корреляции в обоих случаях не превышают 0,08, поэтому зависимость считается несущественной. Такое явление связано, по - видимому, с проявлением особенности кольматационных процессов на водозаборах г. Минска, обусловленной биологическим кольматажем - накоплением продуктов жизнедеятельности железо- и сульфатредуцирующих бактерий. Таким образом, интенсивность химической кольматации фильтров определяется не только содержанием соединений железа, кальция, магния и др., но их стабильностью при определенных значениях величин рН