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

Наиболее эффективно в таких случаях воздействие химических реагентов на закольматированные фильтры и прифильтровые зоны и, в частности, соляной, уксусной, сульфаминовой кислот, в также полифосфатов или их смесей с различными добавками.

Методы кислотной обработки. Выбор метода кислотной обработки скважин зависит от конструкции фильтров, химического состава отложений и др. В настоящее время применяются два основных метода: кислотная ванна и задавливание кислоты за контур фильтра сжатым воздухом. Метод кислотной ванны заключается в том, что в скважину по трубкам заливают реагент, который под влиянием большой плотности и процессов диффузии проникает за контур фильтра и растворяет осадки. При этом способе обработки необходимо учитывать диаметр фильтра, его длину и размер зоны кольматажа. Метод задавливание кислоты сжатым воздухом более эффективен по сравнению с кислотной ванной, так как кислота доставляется в пласт под давлением сжатого воздуха, подаваемого от компрессора. После нагнетания воздуха компрессор отключается и раствор, отжатый за контур, возвращается в фильтр скважины, где смешиваясь с кислотой, не вошедшей в реакцию, повышает свою концентрацию. Интервал между циклами по задавливанию кислоты за контур принимается 5 - 10 мин [6].

Для очистки фильтров в качестве основного растворителя применяют техническую соляную кислоту, под воздействием которой соли переходят в растворимое состояние по следующим уравнениям:

Fe(ОН)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3 Н₂О (3.1)

СаСО₃ + 2HCl = СаCl₂ + Н₂О + СО₂ (3.2)

MgСО₃ + 2HCl = MgCl₂ + Н₂О + СО₂ (3.3)

FeСО₃ + 2HCl = FeCl₂ + Н₂О + СО₂ (3.4)

FeS + 2HCl = FeCl₂ + Н₂S (3.5)

CuS + 2HCl = CuCl₂ + Н₂S (3.6)

Образующиеся в результате указанных реакций растворенные продукты и газы удаляются из скважины при последующей откачке. Для промывки фильтров используется техническая соляная кислота концентрацией от 18 до 35,2 %.

При обработке скважин соляной кислотой и растворении железистых соединений происходит нейтрализация соляной кислоты. Когда концентрация в растворе водородных ионов рН < 4,5, трехвалентное железо Fe(ОН)₃ находится в растворе, но при увеличении рН железо будет коагулировать, переходить в осадок и откладываться в порах прилежащих к фильтру пород. Для предупреждения этих явлений в раствор добавляется 0,5 - 0,8 % триполифосфата в качестве стабилизирующей добавки. В результате порог коагуляции железа сдвигается с рН = 6,1ч6,8 до рН = 10,65ч12,95, откуда следует, что выпадение Fe(ОН)₃ в осадок может происходить только в щелочной среде, что практически в подземных водах не бывает.

Обрабатывать скважины соляной кислотой необходимо при соблюдении правил техники безопасности, так как несоблюдение их может привести к тяжелому отравлению. Отравление может наступать не только вследствие вдыхания паров соляной кислоты, но и под действием других газов, в частности сероводорода, который может выделяться из воды при растворении сульфидных соединений в процессе обработки скважин соляной кислотой. Соляная кислота является ядовитой жидкостью. Попадание концентрированной кислоты на кожу вызывает ожоги, а вдыхание ее паров - удушье и отравление. Все соединительные узлы монтажной схемы должны быть герметичными, не допускающими утечек. Трубу для выпуска воздуха и газов из скважины необходимо выводить в подветренную сторону. Кислоту для залива должны приготовлять рабочие, одетые в специальные резиновые или шерстяные костюмы, резиновые сапоги, перчатки и противогазы [6].

Полифосфатные обработки. Растворяющее воздействие соляной кислоты на осадки часто сопровождается выделением газов Н₂S и СО₂, которые требуют строгих правил по технике безопасности.

Гравий может растворяться под действием кислот, что будет приводить к его просадке и вызывать пескование скважины. Большие неудобства связаны также с транспортными перевозками и хранением соляной кислоты.

Указанные выше причины привели к необходимости поисков других химических реагентов. Для регенерации скважин с этой целью применяются соли фосфорной кислоты двух видов: гексаметафосфат натрия Na₂[Na₄ (РО₃)₆] и триполифосфат натрия Na₅ Р₃ О₁₀. Воздействие этих солей на железистые и карбонатные соединения представлены следующими уравнениями [6]:

Na₂[Na₄ (РО₃)₆] + Fe(ОН)₃ = Na₂[NaFe(РО₃)₆] + 3NaOH (3.7)

Na₂[Na₄ (РО₃)₆] + 2FeСО₃ = Na₂[Fe₂(РО₃)₆] + 3Na₂СО₃ (3.8)

Na₂[Na₄ (РО₃)₆] +2СаСО₃ = Na₂[Са₂ (РО₃)₆] + 3Na₂СО₃ (3.9)

3Na₅ Р₃ О₁₀ + 5Fe(ОН)₃ = Fe₅(Р₃О₁₀)₃ + 15NaOH (3.10)

3Na₅ Р₃ О₁₀ +5СаСО₃ = Са₅(Р₃О₁₀)₂ + 5Na₂СО₃ (3.11)

3Na₅ Р₃ О₁₀ + 5 FeСО₃ = Fe₅(Р₃О₁₀)₂ + 5 Na₂СО₃ (3.12)

Для восстановления дебита скважин полифосфаты могут быть более успешно использованы в двух вариантах: в качестве монореагента и в качестве добавки к соляной кислоте для стабилизации, предупреждающей выпадения железа в осадок при кислотных обработках.

При содержании 7 % триполифосфата в водном растворе растворяется до 32 % железистого кольматанта и максимальная концентрация трпиплифосфата натрия находится в пределах 8 - 12 %. Триполифосфат натрия представляет собой порошок белого цвета, хорошо растворимый в воде и кислотах. Раствор триполифосфата может приготавливаться как на поверхности, так и непосредственно в скважине.

3.4 Комбинированные методы

В процессе отложения осадков в прифильтровой зоне с течением времени наблюдается их уплотнение и изменение их кристаллической структуры, что влияет на растворение осадков при воздействии на них кислот. В некоторых гидрохимических условиях наряду с гидроокисью железа и карбоната кальция выпадают соли кремнекислоты, которые могут создавать достаточно плотные конгломератнообразные структуры, препятствующие воздействию кислоты на осадки [6].

В этих случаях для увеличения поверхности контакта кислоты с цементирующими осадками и обеспечение более глубокого проникновения кислоты за контур скважин целесообразно перед началом кислотных обработок разрушить структуру осодков.

Импульсно-реагентные методы сочетают импульсное воздействие с последующей или одновременной реагентной обработкой. При этом различают виброреагентную регенерацию, сочетающую импульсное вибрационное воздействие с реагентами и проведение дискретного импульса с реагентной обработкой.

Однако, относительно низкие значения гидродинамических давлений, на превышающих 0,2 - 0,3 МПа, не позволяют существенно расширить область применения виброреагентной обработки в сравнении с циклической. Но степень удаления кольматанта из прифильтровой зоны скважины при виброреагентной обработке возрастает и возможно достижение практически первоначального удельного дебита скважины в случае, если длительность ее эксплуатации до обработки не превышает 3 - 5 лет. В длительно работавших водозаборных скважинах более предпочтительно сочетание интенсивной импульсной и реагентной обработки [23].

3.5 Опыт восстановления фильтров скважин различными методами в Беларуси

На объектах водоснабжения республики практическое применение получили взрывной, электрогидравлический (ЭГ), пневмоимпульсный и солянокислотный метод регенерации фильтров и прифильтровой зоны скважины.

На скважинах, эксплуатирующие водоносные горизонты, представленные породами с высокофильтрационными свойствами (гравийно-галечными отложениями, крупнозернистыми песками и др.), применение импульсных и реагентных обработок позволяет достичь восстановление производительности на 90-100% [16,17,18].

Использование указанных методов на скважинах, эксплуатационные водоносные горизонты которых представлены мелкозернистыми песками, алевритовыми породами, приводит, как правило, к восстановлению производительности на 65-80 %. Химический состав водовмещающих пород подземных вод и генетическая стадия формирования кольматирующих образований оказывают определяющее влияние на эффективности применения реагентных методов.

Анализ материалов по восстановлению производительности водозаборных скважин показывает, что с увеличением диаметров фильтров возрастаем эффективность применения импульсных и реагентных методов. Для фильтров диаметром 4 дюйма достигается восстановление производительности в среднем на 69 % от первоначальной; для фильтров диаметром 5, 6 и 8 дюймов производительности восстанавливается соответственно на 72, 91 и 95 %. Сравнительный анализ эффективности различных способов регенерации показывает, что наиболее перспективным направлением в области восстановления производительности водозаборных скважин является реагентная обработка. К преимуществам химических методов регенерации следует также отнести их универсальность, экономичность, техническую простоту исполнения [16,17,18].

Результаты обработок ЭГ способом носят разноречивый характер. Удельный дебит при обработке методом ЭГ достигает 90 % первоначального дебита. Повторную обработку следует проводить через 8-7 месяцев. Однако опыт показывает, что при значительном рабочем напряжении равном 20 кВ, величина давления в зоне расположения разрядника на превышает 4-6 МПа, а с увеличением глубины скважины возможности создания даже таких давлений практически исключается.

Пневмовзрывная регенерация скважин является наиболее простой и доступной с широким интервалом регулирования величины давления. Механизм пневмовзрывного воздействия следующий: предватительно накопленный в камере сжатый воздух с большой скоростью выхлопывается в жидкость, в результате чего образуется воздушный пузырь. Резкое сжатие прилегающих слоев жидкости приводит к распространению в ней акустических волн сжатия и одновременному радиально расходящемуся движению гидропотока. Экспериментальные и производственные исследования пенвмовзрывной обработки водозаборных скважин показали, что в зависимости от гидрологических условий и времени эксплуатации скважин до регенерации возможно восстановление удельного дебита п пределах от 20 до 70 % от первоначального. Длительности сохранения удельной производительности после обработки колеблется от двух до одного года. Максимальные сроки характерны для скважин, оборудованных каркасно-стержневыми фильтрами и провалачными фильтрами на трубчатых каркасах [16,17,18].

Для установления эффективности применения импульсных и реагентных методов регенерации для г. Минска, были проанализированы 160 скважин, находящихся в различных гидрологических, геологических условиях. Самым распространенным способом восстановления удельного дебита скважин является ЭГ способ. Почти каждая скважина, подвергавшиеся ремонту, неоднократно воспринимала воздействие энергии, выделяемой при прохождении электрического тока большого напряжения через разрядник. При этом взрыве образуется сложная газообразная система - разрядная плазма с температурой порядка (1,5 - 2,5)•10⁴ К [25]. По мере разогрева плазмы происходит быстрое повышение давления и увеличение скорости, что способствует образование ударной волны. Энергия ударной волны состоит из потонциальной энергии жидкости и кинетической энергии частиц, которые примерно равны между собой. По мере удаления ударной волны образуется парогазовая полость, которая расширяется до тех пор пока внутреннее давление полости будет меньше гидростатического. При дальнейшем распространении ударной волны потенциальная энергия жидкости, определяемая давлением «р», будет переходить в кинетическую энергию движения частиц жидкости с созданием гидропотока [25].

При кольматации фильтров прочными конгломератовидными осадками под действием ударной нагрузки и колебательных процессов в них возникает волна напряжения и создаются растягивающие усилия, в результате чего в осадках образуются трещины, они раскалываются и диспергируются.

Основным критерием процесса разрушения кольматирующих осадков ЭГ-способом является первичная волна сжатия и эффективность очистки фильтра определяется максимальным давлением на фронте ударной волны. Поэтому при подборе параметров очистки ЭГ-способом необходимо учитывать все факторы, определяющее давление ударной волны, в том числе и гидростатическое давление на фильтры и содержание солей в подземных водах [25].

Для расчета эффективности восстановления ЭГ способом были вычислены величины «б» и «d» (табл. 3.3), для различных геологических условий, методах бурения и типов применяемых фильтров, а также при первичном и вторичном применении ЭГ установки.

Таблица 3.3

Эффективность применения ЭГ-способа для скважин г. Минска