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

Таблица 3.2

Взаимосвязь долговечности скважин и типа применяемого фильтра

Примечание: n- число скважин; Q- дебит скважины; q- удельный дебит; t- долговечность скважин, годы;

Из 49 скважин, оборудованных сетчатыми фильтрами, 41 полностью вышли из строя в среднем через 26,1 года, в 8 требовался ремонт и их средний возраст составляет 43 года (табл. 3.2). Восемь действующих скважин, оборудованных сетчатыми фильтрами, имеют фактический удельный дебит от 1,5 до 9 м³/ч•м, что в среднем составляет 5,4 м³/ч•м.

Проволочные фильтры действующих скважин состоят из перфорированной трубы диаметром 12-14 дюймов, с проходными отверстиями в количестве от 656 до 1000 с диаметром отверстий 16-22 мм, стальной нержавеющей проволоки диаметром 3 мм с шагом намотки 0,5-2 мм.

Из 154 скважин, оборудованных проволочными фильтрами, 86 полностью вышли из строя в среднем через 20,8 года, для 68 скважин требовался ремонт при их среднем возрасте 34,8 года, и только 1 скважина работает без ремонтов 32 года (табл. 3.2).

Проволочные с гравийной обсыпкой фильтры, в настоящее время, получили более широкое распространение, поскольку имеют простую конструкцию, минимальные гидравлические сопротивления и высокую коррозионную стойкость. Благодаря хорошей прочности, эти фильтры весьма устойчивы при восстановлении дебита скважин с помощью кислотных обработок, а также электрогидравлического удара [6].

Из 213 скважин, оборудованных проволочными фильтрами с гравийной обсыпкой, 23 полностью вышли из строя в среднем через 18,5 года, для 148 скважин требовался ремонт через 22,2 года, а 42 скважины работают без ремонтов 13,1 года (табл. 3.2).

Каркасно-стержневые фильтры по сравнению с проволочными и сетчатыми имеют большую скважность, поэтому первоначальный удельный дебит ликвидированных скважин с такими фильтрами изменялся от 12,7 до 13,4 м³/ч•м, а у действующих после ремонта изменяется от 13,7до 16,3 м³/ч•м (табл. 3.2).

Согласно проанализированным данным, основными причинами выхода из строя скважин являются кольматация и пескование фильтров. В результате пескования наблюдался износ насосного оборудования.

Способ сбора материалов вносит в полученные результаты определенный субъективизм, поскольку достоверная информация дается преимущественно по действующим скважинам. Наиболее объективной оценкой следует считать показатель средней долговечности действующих скважин, а также причины выхода скважин из строя.

Способ установки фильтров в большей степени связаны со способом бурения скважины. При бурении ударно-канатными станками фильтры устанавливаются под защитой обсадных колонн, поэтому такие скважины имеют меньшую интенсивность старения по сравнению со скважинами, пробуренными роторными станками (табл. 4.1). Роторный способ бурения с промывкой забоя глинистым раствором является трудным и негативно сказывается на дальнейшей работе скважины. Циркулируя, глинистый раствор проникает в водовмещающие породы и тем самым забивает поры водоноса, что уменьшает пористость пород, и следовательно, искусственно занижает удельные дебиты скважин. В процессе эксплуатации таких скважин нередко бывают случаи, когда после очередного ремонта происходит превышение удельного дебита по сравнению с первоначальным. Поэтому непосредственно после бурения скважины необходимо, для разглинизации водоносного горизонта, произвести ряд восстановительных мероприятий, исключающих использования импульсных методов, так как сила воздействия таких методов будет направлена в ту же сторону что и сила при бурении скважины, которая привела к образованию глинистой пробки. Даже при бурении скважины с применением обратной промывки чистой водой не гарантирует успешной ее работы. Так как циркулирующая вода, поступающая из зумпфа, будет увлекать за собой глинистые частицы водоупора, и осаждать их в порах водовмещающих пород. Оптимальным случаем при бурении скважин является использование чистой воды, поступающей из водопроводной сети. Образование глинистой корки во время бурения происходит интенсивно при ударно-канатном способе бурения, так как желонка с огромной силой ударяет о водовмещающие породы, тем самым создается сила противодавления, которая превышает силу давления воды со стороны водоносного горизонта. При роторном способе бурения эта сила тем больше чем больше статический уровень в скважине, и поэтому условия образование глинистой корки являются менее благоприятными. Однако при бурении роторным способом с применением эрлифта происходит интенсивное обогащение кислородом подземной воды, что приводит к образованию осадков в виде гидроокислов железа и других соединений, содержащих кислород, которые создают дополнительные гидравлические сопротивления в прифильтовой зоне скважины.

Способы и сроки освоения скважин. По окончании бурения в скважинах производится откачка. Как правило, при этих откачках происходит пескование, что вынуждает буровые организации применять эрлифты с низким коэффициентом полезного действия и с небольшой производительностью. Рекомендации о прокачке скважин с дебитом, превышающим на 20 - 50 % будущий эксплуатационный, как правило, не выполняются. поэтому в начальный период эксплуатации возникает пескование, занос рабочей части фильтра породой, а также износ насосного оборудования [6].

Оставленный после бурения глинистый раствор после бурения за контуром фильтра цементирует породы и гравийные обсыпки и уплотняет их тем больше, чем больше время между установкой фильтра и его прокачкой. В практике работ известны случаи, когда прокачки скважин после бурения проводились с перерывом с течение месяца и более и это приводило к малой дебитности. В таких скважинах применение различных способов интенсификации - повторной прокачки, свабирования, подрыва торпед - не восстанавливало проницаемости, соответствующей гранулометрическому составу пород водоносного горизонта. Из сказанного следует, что нельзя допускать разрыв между бурением и прокачкой скважин [6].

При освоении скважин, пробуренных ударным способом или роторным с обратной промывкой, необходимо строго соблюдать режим откачек. Чтобы за контуром образовывался естественный фильтр из частиц гравия или песка по принципу обратного фильтра (с переходом от крупных частиц к мелким), необходимо начинать откачку с малых дебитов и малых понижений уровня, при которых будет происходить отсос мелких частиц. Если начинать откачку с максимальных расходов, в поток будут увлекаться как мелкие, так и крупные частицы, что неизбежно приведет к уплотнению пород за фильтром. Как показал опыт, такая механическая заклинка пород представляет необратимый процесс, в результате которого резко снижается производительность скважин, и она не может быть восстановлена ни одним из существующих методов [6].

Несмотря на использование прогрессивных способов бурения, которые позволяют избежать глинизацию зоны водоотбора, наблюдается общее снижение срока эксплуатации ликвидированных скважин г. Минска, пробуренных с 1930 г. по 1995 годы (рис. 3.6).

Рис. 3.6 График зависимости долговечности скважин от года их бурения.

Одной из причин уменьшение долговечности таких скважин является несоблюдение режима эксплуатации, связанного с ритмичной работой отдельных скважин, а также с неправильным подбором насосного оборудования. При этом повышаются нагрузки на фильтровую часть скважины, приводящие к уплотнению гравийной обсыпки, пескованию и интенсификации процесса химического кольматажа [6].

Идеальным случаем считается непрерывная работа скважины, когда устанавливается динамическое равновесие между притоком и отбором воды. Периодический отбор воды, связанным с частым включением и отключением насосов, может также приводить к гидравлическому удару, который отражается не только на насосном оборудовании, но и на прифильтровой зоне скважин. Это может приводить к уплотнению и разрушению гравийных обсыпок [6].

Профилактический осмотр скважин - залог успешной и бесперебойной эксплуатации скважин. Он должен проводиться на основе первичных и достоверных данных по сооружению скважины. Вначале при исправном насосном оборудовании проводится прокачка скважины при двух - трех ступенях понижения, когда замеряют дебит и понижения уровня.

При нормальной эксплуатации один раз в течение года проверяется состояние забоя скважины и в случае заноса рабочей части фильтра он очищается от песчаной пробки.

Таким образом, продолжительность работы скважины зависит от ряда факторов, нарушение которых приводит к преждевременному выходу скважин из строя.

На основании выше изложенного материала можно сделать следующие выводы:

1. Основными причинами снижения долговечности скважин являются химический кольматаж и пескование скважин, вследствие нарушения гидрохимического равновесия, деятельности бактерий и несоблюдения режима эксплуатации.

2. Наиболее эффективным способом борьбы с химическим кольматажем является сооружение скважин с высокими первоначальными удельными дебитами.

3. Основным средством борьбы с пескованием скважин является гравийная обсыпка фильтров соответствующих толщины и гранулометрического состава.

4. Прогрессивными способами бурения скважин можно считать ударно-канатный (станок УКС - 22 м) и роторный с обратной промывкой забоя чистой водой (станки ФА - 12, УРБ - 3АМ и др.).

5. Конструкция фильтра впотай является наилучшей конструкцией повышающей срок эксплуатации скважины.

6. Правильный режим эксплуатации и проведения ремонтных мероприятий обеспечит скважине поддержание эксплутационных характеристик и долговечность.

3.2 Импульсные методы

В основе импульсных методов лежит воздействие на кольматирующие образования ударных волн и созданных ими высокоскоростных гидродинамических потоков. Арсенал технических средств, способных создать гидроимпульсное воздействие на фильтровую часть скважины, широк. К ним относятся: взрыв торпеды тротилового детонирующего шнура (ТДШ), взрыв газовой смеси, пневмоимпульс, высоковольтный электрический разряд и др. Источником создания упругих гидродинамических воздействий может быть вибрация и ультразвук [22].

При различных способах создания гидроудара его физическое воздействие на фильтр оказывается практически одинаковым. Применение электрогидравлического способа регенерации (ЭГ способ), например, позволяет создать в фильтровой части скважины ударную волну, которая ударяется от канала разряда со скоростью, превышающей скорость звука. По мере удаления от разрядника основные параметры ударной волны (давление, скорость и др.) уменьшаются. Продукты кольматации разрушаются и диспергируюся под действием ударной волны и гидродинамического потока, образующихся в водной среде. Импульсное воздействие ударной волны в скважине может значительно возрастать за счет ее отражения от жестких участков внутренней поверхности фильтра. в результате дифракции и взаимодействия отраженных ударных волн происходит более эффективное разрушение цемента обрастания как непосредсвенно на фильтрующей поверхности, так и в прифильтровой зоне [22].

В последнее время предложен ряд импульсных методов, где в качестве энергоносителя применяются газообразные взрывчатые вещества. Перспективным является газодинамическая установка на основе водорода. Использование в качестве энергоносителя водорода, получаемого вместе с окислителем непосредственно в зоне фильтра за счет электролиза воды, позволяет обеспечивать многократное применение установки без ее подъема для перезарядки. Сжигание смеси приводит к получению начальных продуктов реакции в их прежнем объеме, что, помимо гидроимпульсного, создает вторичный имплозионный эффект [22].

Использование импульсных методов регенерации обеспечивает достаточно полное механическое разрушение кольматирующих осадков и их частичный вынос. Неудаленные частицы разрушенных образований являются катализатором процесса кольматажа (в частности за счет способности гидроокислов железа адсорбировать различные элементы). Поэтому процесс «старения» водозаборных скважин, обработанных гидроимпульсными способами, протекает значительно интенсивнее, чем у новых водозаборных сооружений или восстановленных реагентными методами.

3.3 Реагентные методы

Структура и характер отложений сцементированных пород в зоне установки фильтров подтверждают, что все механические и гидромеханические способы очистки фильтров через ствол не могут удалить осадки на его внешней поверхности и в зоне прилегающих пород. Применение взрывного способа также малоэффективно, поскольку при взрыве растрескиваются зацементированные зоны, образуются микротрещины без нарушения связи химических осадков с частицами горных пород [6].