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

Основной задачей работ при восстановлении производительности скважин на воду, оборудованных фильтрами, является удаление кольматирующих отложений с фильтра и из прифильтровой зоны. При этом главная трудность заключается в удалении кольматанта с наружной поверхности фильтра и гравийной обсыпки (водоносных пород). Решение этой задачи достигается растворением кольматирующих отложений при подаче реагента в призабойную зону скважины либо таким разрушением кольматанта и цемента обрастания, при котором размер образующихся кольматирующих частиц становится меньше размера пор гравийной обсыпки, и они выносятся при последующей или одновременной с импульсным воздействием прокачке [23].

Следовательно, если исключить методы очистки внутренней поверхности фильтра, то по характеру воздействия на фильтр и прифильтровую зону можно выделить две основные группы методов: реагентные и импульсные (табл. 3.1).

Первая группа этих методов предназначена для растворения кольматанта, и задачей технологических исследований является подбор вида реагента, его количества, обоснования рациональной технологии обработки в зависимости от гидрогеологических условий и конструкции скважины, надежного метода контроля хода обработки и критерия для оценки ее окончания.

Сочетание импульсных и реагентных методов призвано обеспечить большую эффективность вследствие создания более равномерной водопроницаемости пород в прифильтровой зоне по вертикали и развитой поверхности кольматанта при импульсном воздействии, что обеспечивает интенсивное и совершенное растворение внутрипорового цемента.

Таблица 3.1

Классификация методов регенирации скважин на воду

3.1 Факторы, влияющие на продолжительность работы скважин

К факторам, которые влияют с различной степенью интенсивности на продолжительность работы скважин, можно отнести геологическое строение, способ бурения, конструкцию скважины, конструкцию фильтра, способ установки фильтра, способы и сроки освоения скважин, и режим эксплуатации.

Для оценки продолжительности были проанализированы ликвидированные и действующие скважины 11-ти водозаборов г. Минска. Из 604 скважин, пробуренных с 1932 г до настоящего времени, 224 (37,1%) считаются полностью вышедшими из строя, остальные 380 (62,9%) скважин - действующими. Из 380 действующих, 337 (88,7%) скважин подвергались ремонту. Средний их возраст равняется 25,3 года, максимальный - 70 лет и минимальный - 6 лет. Остальные 43 (11,3%) скважины работают без ремонта. Средний их возраст 14,5 года, минимальный -5 лет и максимальный - 42 года.

В качестве основного критерия продолжительности работы скважин принята средняя их долговечность.

По материалам УП «Минскводоканал» было проанализировано распределение по долговечности (рис. 3.1) и относительным частотам (рис. 3.2) 224 полностью вышедших из строя скважин, пробуренных в 1932 - 1995 гг. Кривая распределения скважин по долговечности характеризуется крутой левой и пологой правой ветвями, а также наличием максимума в интервале 18-22 лет.

Наиболее близкой к истине оказалась модель распределения гамма функции, обозначенная кривой линией на рис. 3.2. Это позволяет предполагать наличие единого закона гамма распределения долговечности скважин, что дает возможность делать прогноз их долговечности [11,7,8,26,30] .

Для принятой модели распределения были вычислены основные выборочные числовые характеристики (табл. 3.1). При этом установлено, что основное число вышедших из строя скважин имеет глубину менее 100 м и долговечность их не превышает 20 лет, максимальное значение удельного дебита составляет 40,1 м³/ч•м, среднее 17,8 м³/ч•м и минимальное 1 м³/ч•м (рис. 3.3).

Рис. 3.1. График распределения скважин по долговечности.

Рис. 3.2 Гистограмма плотности относительных частот W гамма распределения.

Рис. 3.3 График зависимости глубин L, долговечности T и количества N скважин

Таблица 3.1

Основные выборочные характеристики долговечности скважин

При анализе зависимости удельного дебита и продолжительности работы скважин, наблюдается общая тенденция увеличения долговечности при возрастании удельного дебита (рис. 3.4) Очевидно, что одной из причин долговечности подобных скважин является уменьшение зоны турбулизации потока в прифильтровой зоне и отсутствия суффозионного выноса частиц. Тем самым создаются условия близкие к условиям гидрохимического равновесия[6].

Рис. 3.4 График изменения удельного дебита q от долговечности N.

Ниже рассматривается влияние перечисленных факторов на продолжительность работы скважин.

Геологическое строение. Установлено, что благоприятные условия работы фильтров обеспечиваются в водоносных горизонтах, представленных среднезернистыми, крупнозернистыми или разнозернистыми гравелистыми песками и галечниками мощностью от 5 м более [6].

Водоносные горизонты, представленные тонко- и мелкозернистыми песками малой мощности с частым переслаиванием глинистыми прослоями, обладают слабой водоотдачей. Эксплуатация скважин в этих условиях может сопровождаться выносом глинистой части пород, замутнением воды с весьма медленным отстаиванием.

Смена фильтров в данных условиях, как правило, не приводит к положительным результатам. Оплывание слоев, представленными илистыми или глинистыми разностями, понижает проницаемость пород на участке установки фильтра.

Способ бурения. В настоящее время водозаборные скважины можно бурить тремя основными способами: ударно - канатным, роторным с прямой промывкой забоя глинистым раствором и роторным с обратной промывкой забой чистой водой. Каждый из этих способов имеет специфические особенности, влияющие на дебит скважины и продолжительности работы.

Ударно - канатный способ бурения влияет на структуру и литологическое строение водоносных горизонтов. Образование пробок в стволе скважин и их ликвидация при помощи обычных поршневых желонок проводит к вертикальному смещению и обрушению пород, и следовательно, к заведомо к неправильной характеристике пород водоносных горизонтов.

При этом способе бурения изменяются гранулометрический состав, фильтрационный характеристики и мощность отдельных пластов и пропластков горных пород. Мелкие пропластки из разреза исчезают, а более мощные увеличиваются. Для объяснения этого явления рассмотрим детально процесс бурения. В момент работы желонки в трубах происходит вакуумирование, в результате которого наблюдается подплыв породы к забою скважины. По мере наполнения желонки породой при ее извлечении создается вакуум и при выходе желонки из-под статического уровня уровень в скважине понижается, что создает разность напоров внутри скважине и ее стенок. Оба эти фактора влияют на образование песчаных пробок, высота которых может достигать 8 - 10 м и более [12].

Наибольшее нарушение фильтрационных свойств водоносных горизонтов наблюдается в тех случаях, когда объем выбуренных пород во много, а иногда в десятки раз, превышает геометрический объем выработки. При этом часто образуются провальные воронки [6].

Роторный способ бурения с прямой промывкой забоя глинистым раствором относится к числу наихудших способов бурения при вскрытии водоносных горизонтов, представленных рыхлыми породами. Проникновение глинистого раствора в породы, недостаточно удовлетворительные методы и способы разглинизации искусственно занижают дебиты скважин, вследствие чего в мелко- и тонкозернистых песках получаются малодебитные и даже безводные скважины.

Роторные способ бурения с обратной промывкой в отличие от двух указанных выше является наиболее прогрессивным; большие скорости бурения, минимальная подработка забоя, сохранение подлинных характеристик горных пород. Сооружение гравийных обсыпок большой мощности при правильном подборе гравия обеспечивает скважинам долголетнюю работу без пескования.

Для действующих водозаборных скважин г. Минска использовались в основном роторные с обратной промывкой забоя и ударно - канатные способы бурения. Для сооружения скважин использовались станки ударно - канатного бурения типа УКС - 22м и УКС - 30м и станки роторного бурения типа 1БА- 15В, УРБ - 3 ам и румынский станок ФА - 12. Процентное соотношение использования станков различного типа при бурении 380 действующих скважин представлено на рис. 3.5.

Рис. 3.2 Процентное отношение типов станков для пробуренных скважин г. Минска.

Примечание: 1- станок типа УКС - 22м;

2- станок типа ФА - 12;

3- станок типа УРБ - 3 ам;

4- станок типа УКС - 30м;

5- станок типа 1БА - 15В;

Конструкция скважины. В связи с развитием роторного способа бурения с прямой промывкой забоя глинистым раствором, при сооружении скважин глубиной до 100м и более, в целях экономии труб стали, применялись одноколонные конструкции скважин. Фильтры в этих скважинах устанавливают на трубах того же диаметра. Когда скважина простояла много лет в грунтах, в которых гидроокись железа проникала в окружающий ствол породы, или когда в скважинах зацементировано затрубное пространство, извлечение труб невозможно, как и не возможна смена фильтров. Для поддержания дебита в этих случаях необходимы механические, гидравлические чистки и обработка химическими реагентами [6].

При установке фильтра впотай обеспечиваются условия для более успешной смены фильтра. Однако, при нагрузках 95 - 100 тс, как правило, фильтры не извлекаются. В большинстве случаев скважины ликвидируют из-за падения удельного дебита, вызванного нарушением работы фильтра, вследствие кольматажа или пескования. Обсадная колонна подвергается только воздействию коррозии со стороны подземных вод и кислотных обработок. Поэтому срок эксплуатации обсадной колонны в 2 -3 раза превышает срок эксплуатации фильтра. Фильтр является той основной частью скважины, от которого зависит основные эксплутационные характеристики работы скважины, поэтому со временем разрабатываются более совершенные конструкции фильтров, имеющие минимальные гидравлические сопротивления, хорошую прочность и стойкость против коррозионного воздействия воды и химических реагентов.

Эксплуатация скважин с фильтрами, установленными впотай, более экономична, так как имеется возможность замены фильтра на более новый, без перебуривания новой скважины.

Конструкция фильтров оказывает большое влияние на дебит и срок эксплуатации скважин. При длительной эксплуатации скважины без предварительных восстановительных обработок, происходит или инкрустация как самого фильтра, так и прифильтровой зоны либо происходит разрушения материала фильтра вследствие коррозионного воздействия подземных вод. На рис. 2.1 представлены проволочный и щелевой фильтры, извлеченные после многих лет эксплуатации. На проволочном фильтре отчетливо видно, что кольматант покрывает не только внешнюю и внутреннюю поверхности, но и откладывается в пространстве между продольными опорными стержнями и проволочной обмоткой. После этого процесса, кольматант с течением времени, делается прочным как цементная корка и поэтому трудно поддается разрушению и растворению с последующим удалением из фильтра и прифильтровой зоны. Напротив, при воздействии агрессивных вод на фильтр происходит увеличение его скважности (рис. 2.1.б) и последующее разрушение, которое сопровождается усиленным пескованием. Оба эти явления, как инкрустация, так и коррозионное разрушение, негативно сказывается на дальнейшей работе скважины, поэтому при правильном расчете, подборе и обслуживании в процессе эксплуатации фильтра, удается избежать этих проблем.

Для изучения взаимосвязи долговечности скважин и наиболее широко применяемых типов фильтров были проанализированы полностью вышедшие из строя скважины (группа А), скважины, продолжающие работать после ремонта (группа Б) и скважины, нормально работающие без ремонта (группа Д) водозаборов г. Минска. (табл. 3.2).

Результаты анализа показывают, что наибольшую долговечность имеют скважины, оборудованные сетчатыми, проволочными с гравийной обсыпкой и каркасно-стержневыми с гравийной обсыпкой фильтрами. Наблюдаемые ряды долговечности имеют в основном гамма и логнормальный законы распределения с наиболее вероятностными долговечностями соответственно (20-30) лет для сетчатых фильтров, (20-25) лет для фильтров проволочных с гравийной обсыпкой и каркасно-стержневых с гравийной обсыпкой.

Несмотря на полученную относительно высокую долговечность сетчатых фильтров, следует иметь в виду, что эти фильтры из - за малых отверстий сетчатого полотна могут работать долгое время без пескования, но с низкими удельными дебитами. Уменьшение производительности сетчатых фильтров также объясняется и тем, что они имеют большие входные сопротивления [29], быстро разрушаются под влиянием электрохимической коррозии и под действием агрессивных вод [6]. Таким образом, применение сетчатых фильтров повышает себестоимость добываемой воды и снижает эффективность использования водоносного горизонта.