Районирование территории Республики Беларусь по применению методов регенерации водозаборов подземных вод

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].

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

Водоносный горизонт	Днепровско - сожский	Верхнепротер-озойский
Метод бурения	Роторный	Роторный	Ударно-канатный	Ударно-канатный	Ударно-канатный	Ударно-канатный	Роторный
Тип фильтра	Проволоч- ный с грав. обсыпкой	Проволоч- ный	Проволоч- ный с грав. обсыпкой	Проволоч- ный	Сетчатый	Каркасно-стержнев. с гр.обсыпкой	Проволочный
Возраст скважины до проведения 1 -го ремонта, лет	Коэффициент б / значение d / количество скважин
0-5	27/51/5	-	5/47/1	-	-	4/58/1	-
5-10	22/54/21	-	27/54/6	7/45/2	-	31/57/6	-
10-15	18/56/13	4/53/1	17/45/22	19/53/10	8/52/2	23/53/2	-
15-20	25/52/9	12/72/5	15/45/7	16/52/7	3/73/1	-	31/284/2
20-30	14/44/3	-	22/52/3	25/61/11	18/56/1	-	17/268/5
Средние значения б / величины d
	21,2/51,4	8/62,5	17,2/48,6	16,8/52,8	9,7/60,3	19,3/56	24/50
Возраст скважины до проведения 2 -го ремонта, лет	Коэффициент б / значение d / количество скважин
0-5	-	-	-	-	-	-	-
5-10	8/55/3	-	-	-	-	-	-
10-15	16/52/6	-	17/52/8	15/48/4	-	-	-
15-20	20/50/4	4/106/1	18/42/7	17/45/7	-	-	-
20-30	10/48/4	-	17/50/5	26/58/13	14/56/1	-	50/282/1
Средние значения б / величины d
	13,5/51,3	4/106	17,3/48	19,3/50,3	14/56	-	50/282

Параметр «d» учитывает влияние гидростатического давления на ЭГ способ и равняется разнице между статическим уровнем воды в скважине и ее глубины, т. е. d = Н_ст - Н_скв.

б - коэффициент эффективности восстановления по отношению к первоначальному удельному дебиту q₀. Определяется б по формуле:

б = (q_п - q_т) / q₀ • 100 % (3.13)

Где q_п - удельный дебит скважины после очистки скважины ЭГ способом;

q_т - удельный дебит скважины до очистки скважины ЭГ способом.

В результате анализа установлено, что наибольшую эффективность восстановления, при проведении ремонтных мероприятий впервые, имеют скважины, оборудованные проволочными и каркасно-стержневыми с гравийными обсыпками фильтрами (табл. 3.3). Высокое значение параметра «б» для скважин, пробуренных на верхний протерозой объясняется тем, что эти скважины были пробурены на небольшие первоначальные удельные дебиты, не превышающие 10 м³/ч•м, и поэтому небольшие приращения удельного дебита после ремонта, по отношению к первоначальному, определяли значение «б».

Наименьшая эффективность восстановления ЭГ-способом наблюдается у скважин, оборудованных сетчатыми и проволочными фильтрами, которые каптируют воды из днепровско-сожского водоносного горизонта (табл. 3.3). Низкая восстановительная способность сетчатых и проволочных фильтров по сравнению с проволочными и каркасно-стержневыми с гравийной обсыпкой фильтрами объясняется тем, что ударная волна благодаря большой скважности последних проникает в прифильтровую зону и разрушает кольматант, и разрушенные частицы инкрустации частично выносятся гидропотоком, а также и тем, что сетчатые и проволочные фильтры подвергались очистке при больших значениях параметра d, равным в среднем 62,5 м и 60,3 м соответственно (табл. 3.3).

Вторичное применение ЭГ способа показывает, что эффективность его применения может снижаться (для проволочных и сетчатых фильтров) а может возрастать (для проволочных и каркасно-стержневых с гравийными обсыпками фильтров) (табл. 3.3). Такое явление связано, по-видимому с тем, что в период проведения первого восстановительного ремонта на скважинах, оборудованных сетчатыми и проволочными фильтрами вследствие характера кольматации и конструкции самого фильтра (низкая скважность) не удается произвести вынос гидропотоком сцементированной инкрустации, а только разрушить на стенках фильтра часть скольматированной корки. В последующие ремонты происходит более тщательное хрупкое и пластичное разрушение оставшегося кольматанта и проникновение гидропотока за стенки фильтра непосредственно в прифильтровую зону, что увеличивает вероятность выноса продуктов кольматажа. Это объясняет тот факт, что эффективность восстановления в первые годы эксплуатации для сетчатых и проволочных фильтров оставалась на низком уровне по сравнению с периодом эксплуатации 20-30 лет (табл. 3.3).

В меньшей степени скважины г. Минска подвергались кислотным, газовзрывным и комбинорованным методам восстановления.

Эффективность восстановления кислотными обработками для 6 скважин в среднем равняется 39 % (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Эффективность восстановления скважин кислотными обработками

б	Возраст скважины до проведения ремонта, лет	Метод бурения	Тип фильтра	Количество скважин
27	9	Роторный	Проволочный с грав. обсыпкой	1
45	22	Роторный	Проволочный	1
35	9	Ударно-канатный	Каркасно-стержнев. с гр.обсыпкой	1
45	9	Ударно-канатный	Каркасно-стержнев. с гр.обсыпкой	1
57	10	Ударно-канатный	Каркасно-стержнев. с гр.обсыпкой	1
23	11	Ударно-канатный	Проволочный с грав. обсыпкой	1

Наибольшее значение параметра «б» наблюдается у скважин, оборудованных проволочными и каркасно-стержневыми с гравийными обсыпками фильтрами, пробуренных ударно-канатным методом. Благодаря большой скважности, кислота беспрепятственно проникает в прифильтровую область и эффективно растворяет кольматант, и при последующей откачке растворенные продукты химической реакции удаляются из скважины.

Газовзрывным способом было регенерировано только 4 скважины (табл. 3.5). Средняя эффективность восстановления составляет 15 %.

Таблица 3.5

Эффективность восстановления скважин газовзрывным способом

б	Возраст скважины до проведения ремонта, лет	Метод бурения	Тип фильтра	d	Количество скважин
18	10	Ударно-канатный	Проволочный с грав. обсыпкой	30	1
11	12	Ударно-канатный	Проволочный	61	1
20	8	Роторный	Проволочный с грав. обсыпкой	45	1
11	14	Ударно-канатный	Проволочный	49	1

Наибольшую эффективность восстановления имеют скважины, оборудованные проволочными с гравийной обсыпками фильтрами, при значениях «d» равных 30 м и 45 м соответственно.

При обработке скважин импульсно-реагентными методами, наблюдается значительное повышение эффективности восстановления, при котором параметр «б» в среднем равняется 37 % (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Эффективность восстановления скважин комбинированным методом

б	Возраст скважины до проведения ремонта, лет	Метод бурения	Тип фильтра	d	Количество скважин
28	5-10	Роторный	Проволочный с грав. обсыпкой	63	1
23	0-5	Ударно-канатный	Проволочный с грав. обсыпкой	36	1
32	5-10	Ударно-канатный	Проволочный с грав. обсыпкой	50	3
37	5-10	Ударно-канатный	Проволочный	51	2
37	10-15	Ударно-канатный	Проволочный	55	2
66	15-20	Роторный	Проволочный	275	2

Характерная особенность этого метода заключается в том, что эффективность восстановления проволочных фильтров немного выше, чем проволочных с гравийной обсыпкой. Следовательно сочетание импульсных и реагентных методов дает эффект восстановления независимо от статического уровня воды в скважине и типов применяемых фильтров. Это очень важное преимущество при очистке сетчатых и проволочных фильтров установленных на большой глубине. Под действием импульсных нагрузок образуются трещины в кольматанте и при помощи гидропотока частичное его удаление. Далее в реакцию вступает реагент, который окончательно растворяет кольматант и с последующей откачкой растворенные продукты уносится из скважины. Такой метод эффективен в скважинах, которые не подвергались ремонту более 10 лет (табл. 3.6). Однако следует следить за состоянием, как самого фильтра, так и скважины в целом, так как сочетание импульсных и реагентных нагрузок может привести к дальнейшей эксплуатационной непригодности скважины.

Из анализа применения методов восстановления дебитов скважин можно сделать следующие выводы:

1) Применение ЭГ-способа эффективно в скважинах, оборудованных фильтрами с большой скважностью (проволочный и каркасно-стержневой с гравийными обсыпками) установленными на небольшой глубине. Рекомендуется применять ЭГ способ в начальный период эксплуатации скважины или в комплексе с реагентными методами, так как ЭГ способ в большинстве случаев не удаляет кольматант, а только его разрушает. Не рекомендуется использовать ЭГ способ при очистке скважины от глинистых частиц после сооружения новой скважины, поскольку сила ударной волны направлена в сторону фильтровой зоны скважины, что еще больше уплотнит остатки бурового раствора. Эффективность восстановления скважин г. Минска в среднем составляет 17 %.

2) Кислотные обработки (с применением соляной кислоты) также эффективны при восстановлении фильтров большой скважности, но не зависят от глубины установки фильтра. Концентрация соляной кислоты колеблется от 18 до 35 % в зависимости от степени кольматации и состояния фильтра. Для стабилизации процесса вторичного осадкообразования и защиты стальных конструкций от коррозионного воздействия кислоты рекомендуется параллельно применять 0,5-0,8 % раствор триполифосфата натрия. Кислотные обработки эффективно растворяют кольматант и очищают фильтр и прифильровую зону от инкрустации, что подтверждается эффективностью восстановления для г. Минска, которая в среднем равняется 39 %. При проведении восстановительных работ необходимо строго выполнять требования техники безопасности и охраны труда.

3) Газовзрывной способ эффективно выносит разрушившийся кольматант под действием создаваемого вакуума и тем самым создает условия для нормальной работы скважины. Эффективность восстановления для 4-х скважин г. Минска составляет 15 %. Способ имеет лучшие показатели восстановления удельного дебита при очистке фильтров с высокой скважностью и находящихся под небольшим гидростатическим давлением.

4) Сочетание импульсного и реагентного методов дает наилучшие результаты при восстановительных ремонтах, так как эффективность восстановления практически не зависит от гидростатического столба воды в скважине и от типа применяемого фильтра, а только от количества и состояния самого фильтра и кольматанта. Под действием импульсных нагрузок водонепроницаемые структуры кольматанта разрушаются, создаются дополнительные трещины, увеличивается контакт кислоты с цементирующими осадками, более глубоко проникает кислота за контур фильтра, благодаря чему возрастаем степень растворения солевых соединений. Это способствует более эффективному восстановлению структуры, пористости и проницаемости прилегающих к фильтру пород и увеличению срока эксплуатации скважин. Эффективность восстановления дебита скважин для г. Минска составляет в среднем 37 % без значительных колебании значения параметра «б». Комбинированные способы очистки имеют неоспоримые преимущества при восстановлении дебита скважин, которые не подвергались ремонтным мероприятиям в течение 10 и белее лет. В Беларуси этот метод является доминирующим для поддержания дебитов скважин и продления срока службы скважин находящихся в различных природных условиях.

3.6 Расчет экономической годовой эффективности

Расчет годового экономического эффекта от совместного применения газодинамического и виброимпульсного способов восстановления дебита скважин выполнялся в соответствии с «Инструкцией по оценки эффективности использования в народном хозяйстве республики результатов научно-исследовательских и опытно-технологических работ», утвержденной Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 18.05.2002 г. № 637.

На скважинах № О и № 16 водозабора «Дражня» в мае - июне 2002 г. производились работы по декольматации фильтров газодинамическим способом и был достигнут прирост удельного дебита и производительности скважин. В апреле 2003 г. производились повторные замеры удельного дебита, которые подтвердили устойчивость эффекта регенерации.

Данные гидравлических испытаний скважин представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Эффективность восстановительных работ

№ скважины	Производительность, м3/ч Удельный дебит, м3/ч•м	Прирост динамического уровня, м	Прирост производительности, ?Q, м3/ч	Затраты на ремонт скважин, ЗТ1, руб
	До восстановления	После восстановления
О «Дражня»	59/2,61	78/10	14,8	19	750000
16 «Дражня»	118/15,5	136/36,7	3,9	18	750000
ИТОГО	18,7	37	1500000

Экономический эффект (Э) от совместного использования газодинамического и виброимпульсного способов восстановления дебита скважин согласно «Инструкциии по оценки эффективности использования в народном хозяйстве республики результатов научно-исследовательских и опытно-технологических работ» определяется по формуле:

Э = Р_Т - З_Т

Где Р_Т - стоимостная оценка результатов использования разработки за расчетный период, выраженная в стоимости электроэнергии сэкономленной за счет прироста динамического уровня, Р_Т = V • С;

З_Т = З_Т1 + З_Т2 - стоимостная оценка издержек на проведения работ З_Т1 (табл. 3.7) и затрат на добычу и транспортировку дополнительной воды З_Т2.

Где З_Т2 = V • q • Ф;

V - количество воды дополнительно добытой за 1 год. V = •?Q• t•n•к.

?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

Водоносный горизонт	Днепровско - сожский	Верхне- протерозойский
Тип буровой установки	УКС-22м, УКС-30м	УКС-22м, УКС-30м	УКС-22м, УКС-30м	ФА-12	УРБ- 3АМ	УРБ-3АМ и УКС-22м, УКС-30м	УРБ-3АМ и 1БА- 15В
Тип фильтра	Проволочный с гр. обсыпкой	Проволочный	Каркасно-стержнев. с гр.обсыпкой	Проволочн. с гр. осып.	Проволочный	Сетчатый	Проволочный
Первонач. уд.дебит, м3/ч•м	Коэффициент в / рациональный срок регенерации, год / количество скважин
0-15	-0,102/2,8/19	-0,05/5,5/16	-0,191/1,5/3	-0,087/3,3/23	-0,046/6,2/7	-0,042/6,9/4	-0,018/15,4/10
15-25	-0,093/3,1/22	-0,09/3,1/12	-0,13/2,2/14	-0,106/2,7/19	-0,079/3,6/5	-0,054/5,3/2	-0,026/11,1/1
25-50	-0,083/3,5/10	-0,158/1,9/2	-0,124/2,3/2	-0,138/2,1/20	-0,071/4/1	-	-
>50	-0,159/1,8/4	-0,089/3,2/3	-	-0,223/1,3/3	-0,157/1,8/1	-	-
Средние значения коэффициента в / рационального срока регенерации, год
-	-0,099/2,9	-0,077/3,7	-0,139/2,1	-0,115/2,5	-0,068/4,2	-0,046/6,3	-0,019/14,6

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

В табл. 4.2 приведены рациональные межремонтные сроки и коэффициенты «старения» в для водозаборов г. Минска, без учета периода стабильной работы при уменьшении значения удельного дебита на 25%.

Таблица 4.2

Значения рациональных межремонтных периодов для водозаборов г. Минска

Наименование водозабора	Значение параметра «в»	Рациональный межремонтный период, год
«Новинки»	-0,0925	3,1
«Зеленовка»	-0,0868	3,3
«Боровляны»	-0,0797	3,6
«Петровщина»	-0,142	2
«Водопой»	-0,0994	2,9
«Дражня»	-0,0781	3,7
«Вицковщина»	-0,0924	3,2
«Волма»	-0,0441	6,5
«Островы»	-0,118	2,5
«Фелицианово»	-0,111	3
«Зеленый бор»	-0,0956	3
Среднее значение	-0,0945	3,35

Средний межремонтный период в целом по г. Минску составляет 3,35 года (табл.4.2), для условий естественного старения скважин, при снижении первоначального удельного дебита на 25%.

Рис 4.1 График зависимости коэффициента «старения» от содержания железа.

Рис 4.2 График зависимости коэффициента «старения» от показателя Ризнера.

Проанализированные 203 скважины имели первые восстановительные ремонты в среднем через 14 лет, при среднем понижении удельного дебита на 45%, что негативно сказывается на дальнейшей работе скважин, выраженной в уменьшении ее производительности и сработки динамического уровня до всасывающей кромки насоса. Так как с течением времени происходит дегидратация и цементация кольматанта, что затрудняет дальнейшую регенерацию фильтра и вынуждает либо прибегнуть к замене фильтра либо к перебуриванию скважины. Это свидетельствует о том, что своевременное проведение восстановительных обработок играет важную роль в дальнейшей эксплуатации скважины и продления срока ее службы.

Время наступления интенсивного кольматажа скважин, пробуренные на водоносные пески палеоген - неогенового водоносного комплекса, составляет 2-3 года, для скваждин прошедших кислотную обработку меньше и составляет 1,5 года [16,17,18].

Скважины, пробуренные на водоносные трещиноватые скальные породы водоносного комплекса верхнего мела, оборудованные в основном дырчатыми фильтрами или бесфильтровой конструкции - открытый ствол. Интенсивная кольматация фильтров для таких скважин наступает через 4 года. Период стабильной работы для бесфильтровых скважин отсутствует [16,17,18].

Для скважин, пробуренных на водоносные альб - сеноманские пески нижнего и верхнего мела, время начала интенсивной кольматации фильтров и прифильтровых зон составляет 4,5 - 5 лет.

Таким образом, анализируя результаты исследования можно сделать следующие выводы:

1) Рациональный межремонтный период декольматажа скважин для г. Минска зависит от типа применяемого фильтра, биологического фактора (жизнедеятельности железо- и сульфатредуцирующих бактерий) и мало зависит от абсолютных значений показателя Ризнера и величины растворенного в воде железа.

2) Скважины, оборудованные проволочными с гравийной обсыпкой фильтрами и пробуренные ударно - канатным способом, с применением станков типа УКС - 22м и УКС - 30м, имеют лучшие показатели по величине дебитов за счет более качественной гравийной обсыпки сооружаемого фильтра.

3) Ориентировочный рациональный межремонтный период для водозаборов г. Минска для условий естественного старения скважин, при понижения первоначального удельного дебита на 25% лежит в пределах от 2 до 6,5 года, что в среднем составляет 3,35 года.

3) Ориентировочный межремонтный период для фильтровых скважин, пробуренных на водоносные, рыхлые породы четвертично - палеогенового периода и каптирующих подземные воды, обладающих слабыми коррозионными свойствами (J &l...