Анализ долговечности водозаборных скважин г. Минска

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Анализ долговечности водозаборных скважин г. Минска

Магистрант Шейко А. М.

Целью статистического анализа работы скважин является выявления тех или иных факторов или закономерностей, включающих геологическое строение, конструкцию фильтра, гидрохимический состав подземных вод, режим эксплуатации, которые влияют с различной степенью интенсивности на продолжительность их работы.

Для оценки долговечности были проанализированы ликвидированные и действующие скважины 11-ти водозаборов г. Минска. Из 604 скважин, пробуренных с 1932 г до настоящего времени, 224 считаются полностью вышедшими из строя, остальные 380 скважин - действующими. Из 380 действующих, 337 скважин подвергались ремонту. Средний их возраст равняется 25,3 года, максимальный - 70 лет и минимальный - 6 лет. Остальные 43 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.

Скважины г. Минска каптируют воду из двух водоносных горизонтов: верхнего - днепровско-сожского водно-ледникового и нижнего - верхнепротерозойского (отложения валдайской серии). Эксплутационные запасы подземных вод днепровско-сожского водно-ледникового водоносного горизонта более чем в 6 раз превышают запасы верхнепротерозойского горизонта [2]. Поэтому на 11- ти водозаборах только 6% скважин каптируют воду из верхнепротерозойского водоносного горизонта.

Водовмещающие породы верхнего днепровско-сожского горизонта представлены разнозернистыми песками, гравием, галькой. Горизонт перекрывается сожскими моренными отложениями, а подстилается днепровской мореной. Мощность водовмещающих пород колеблется от 15 до 45 м, и залегают на глубине от 20 до 70 м. Статические уровни устанавливаются на глубине от +1,5 до 33 м, в среднем - 12,4 метров, а динамические - от 4,1 м до 58 м, в среднем - 19,4 м.

Водоносный валдайский терригенный горизонт верхнего протерозоя представлен разнозернистыми песчаниками, в различной степени трещиноватыми и сцементированными, с прослоями алевролитов. Мощность этого горизонта колеблется от 20 до 100 м, и залегает на глубине от 220 до 315 м. Статические уровни устанавливаются на глубине от 12 до 43 м, в среднем - 25,6 метров, а динамические - от 21,5 м до 65 м, в среднем - 42 м [2].

По материалам УП «Минскводоканал» было проанализировано распределение по долговечности (рис. 1) и относительным частотам этого распределения (рис. 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. 2. Это позволяет предполагать наличие единого закона гамма распределения долговечности скважин, что дает возможность делать прогноз их долговечности.

Для принятой модели распределения были вычислены основные выборочные числовые характеристики (табл. 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 м3/ч•м, среднее 18 м3/ч•м и минимальное 1 м3/ч•м.

Основные выборочные характеристики долговечности скважин

Таблица 1

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

При анализе зависимости первоначального удельного дебита и продолжительности работы ликвидированных скважин, наблюдается общая тенденция увеличения долговечности при высоком первоначальном удельном дебите. Очевидно, что одной из причин долговечности подобных скважин является уменьшение зоны турбулизации потока в прифильтровой зоне и отсутствие суффозионного выноса частиц. Тем самым создаются условия близкие к условиям гидрохимического равновесия [1].

Для изучения взаимосвязи долговечности скважин и наиболее широко применяемых типов фильтров были проанализированы полностью вышедшие из строя скважины (группа А) и скважины, продолжающие работать после ремонта (группа Б) (табл. 2).

Взаимосвязь долговечности скважин и типа применяемого фильтра

Таблица 2

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

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, быстро разрушаются под влиянием электрохимической коррозии и под действием агрессивных вод [3]. Таким образом, применение сетчатых фильтров повышает себестоимость добываемой воды и снижает эффективность использования водоносного горизонта.

Из 49 скважин, оборудованных сетчатыми фильтрами, 41 полностью вышли из строя в среднем через 26 лет, в 8 требовался ремонт и их средний возраст составляет 43 года (табл. 2). Восемь действующих скважин, оборудованных сетчатыми фильтрами, имеют фактический удельный дебит от 2 до 9 м3/ч•м, что в среднем составляет 5 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 21 год, для 68 скважин требовался ремонт при их среднем возрасте 35 лет (табл. 2), и только 1 скважина работает без ремонтов 32 года.

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 [3].

Из 213 скважин, оборудованных проволочными фильтрами с гравийной обсыпкой, 23 полностью вышли из строя в среднем через 19 лет, для 148 скважин требовался ремонт через 22 года (табл. 2), а 42 скважины работают без ремонтов 13 лет.

Каркасно - стержневые фильтры по сравнению с проволочными и сетчатыми имеют большую скважность, поэтому первоначальный удельный дебит ликвидированных скважин с такими фильтрами составляет 13 м3/ч•м, а у действующих после ремонта изменяется от 14 до 16 м3/ч•м (табл. 2).

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.

Химический состав подземных вод также влияет на долговечность скважин. В результате нарушения химического равновесия в прифильтровой зоне за счет понижения давления, происходит десорбция свободной углекислоты из подземных вод. При этом интенсифицируется гидролиз бикарбоната железа, в результате чего Fe2+ окисляется до Fe3+ с образованием гидроксида трехвалентного железа Fe(ОН)3, основного кольматирующего соединения [3].

Кроме так называемой «свободной» углекислоты, находящиеся в виде растворенного в воде газа СО2 и недиссоциированных молекул Н2СО3, содержится «полусвязанная» углекислота в виде бикарбонатных ионов НСО3-, а в некоторых случаях и «связанная» углекислота в виде карбонатных ионов СО32 -. В подземных водах существует динамическое равновесие между различными формами угольной кислоты: НСО3- - СО32 - + СО2 + Н2О (1). Из этого уравнения следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации бикарбонатных ионов НСО3- требуется, чтобы в воде присутствовало соответствующее этой концентрации количество свободной углекислоты СО2 , называемой равновесной углекислотой [4]. Если количество свободной углекислоты больше равновесной концентрации, то избыток способен вызывать растворение карбоната кальция. При недостатке СО2 будет существовать тенденция к распаду части бикарбонатных ионов, т. е. к сдвигу в право равновесия (1). Это приведет к дополнительному образованию СО32 -, которые будут реагировать с присутствующими в подземных водах катионами кальция, с выделением из раствора осадка карбоната кальция в соответствии с уравнением: Са2+ + СО32 - > СаСО3v .

Склонность воды выделять осадок карбоната кальция или растворять его определяется индексом насыщения, предложенным Ланжелье в 1936 году. Индекс насыщения равняется разнице между замеренной (фактической) и расчетной (равновесной), для данной гидрохимической системы, величинами рН: J = рН - рН s [4].

Для расчета рН s И. Э. Апельциным составлена номограмма [4], в которой рН s определяется как функция температуры f1(t), содержания кальция f2(Са2+), величины щелочности f3 (Щ) и общего солесодержания f4 (р): рН s = f1(t) + f2(Са2+) + f3 (Щ) + f4 (р). При определении величины рН s , общее солесодержание «р» принимается равным величине сухого остатка, определенного химическим анализом.

Если рН > рН s , то вода склонна к выделению карбоната кальция, а при рН < рН s вода способна растворять карбонат кальция.

Индекс Ланжелье не является объективным показателем стабильности воды, так как различные растворы, характеризующиеся одинаковым индексом Ланжелье, могут значительно отличатся по величине кислотности (щелочности). Более объективную оценку условий стабильности раствора дал Ризнер в 1944 году. Индекс стабильности по Ризнеру определяется по формуле: Ri = 2рНs - рН. Установлено, что при Ri < 7,0 воды всегда склонны к выделению кольматирующих образований [3].

Состав подземных вод исследовался по данным химических анализов, выполняемых в УП «Минскводоканал», по 317 скважин 11-ти водозаборов г. Минска. Химический состав подземных вод гидрокарбонатный кальциево-магниевый, минерализация изменяется от 104 до 749 мг/л.

Наиболее вероятные значения параметров химического анализа, полученные статистическим методом, а также значения показателей J и Ri, приведены в таблице 3.

Значения параметров химического анализа воды Таблица 3

Индекс насыщения J в изучаемой воде находится в пределах -0,65 ч +0,39, показатель Ризнера колеблется от 7,12 до 8,76 (табл. 3). При таких значениях индекса насыщения и 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 [5].

Значение рН исследуемой воды находится в пределах 7,15 - 8,4. В соответствии с классификацией В. В. Иванова и Г. А. Невраева воды являются слабощелочными, так как рН находится в пределах 7,2 < рН < 8,5. 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. Процесс кольматации фильтров соединениями железа будет идти только в окислительной обстановке при наличии в водах кислорода, необходимого для перевода иона железа в трехвалентную форму. Аэрация подземных вод наиболее интенсивно происходит в непосредственной близости от скважины. В отдельных случаях окисление закисного железа происходит за счет кислорода, содержащегося в незначительных концентрациях в воде, при турбулизации потока в гравийной обсыпке и фильтре. Кроме того, насыщенные кислородом безнапорные грунтовые воды могут проникать в напорный пласт через так называемые «гидрогеологические окна» [3].

Содержание сульфатов в подземных водах изменяется в пределах от 0,11 до 98 мг/л. Это указывает на то, что воды по отношению к сульфатам является слабоагрессивной (< 300 мг/л). Содержание в воде сульфатов предполагает выделения осадка на фильтрах в виде малорастворимого сульфата кальция СаSО4, а также при наличии сульфатредуцирующих бактерий еще и образование сульфидов железа.

Процессы химического кольматажа, происходящие в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются деятельностью железо-, марганцевых и сульфатредуцирующих бактерий. Для развития этих бактерий необходимо чтобы величина рН находилась в пределах 5,4 - 7,2, содержание железа Fe2+ должно находится в пределах 1,6 - 12,0 мг/л. Подземная вода должна содержать углекислоту [3]. Таким образом, условия для обитания и развития бактерий в скважинах водозаборов г. Минска являются вполне приемлемыми.

Растворенные в воде хлориды являются ускорителями коррозии вследствие разрушающего действия хлор иона (Сl-) на защитные пленки. Содержание хлоридов составляет 1,6 - 211,9 мг/л (табл. 3). По отношению к хлоридам вода считается среднеагрессивной.

Низкая окисляемость (0,3 - 8,4 мгО2/л) свидетельствует о том, что в воде содержится небольшое количество органических веществ.

На основании статистического анализа скважин г. Минска 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. Основным кольматирующим соединением фильтров и прифильтровых зон является гидроксид трехвалентного железа Fe(ОН)3, и другие железосодержащие соединения.

водозаборный скважина долговечность кольматаж

Литература

1. Г. П. Квашнин, А. И. Деревянных. Водозаборные скважины с гравийными фильтрами. М., Недра, 1981. 216 с.

2.Станкевич Р. А. Минское месторождение глубоких артезианских вод: краткий очерк природных условий и истории освоения.- Мн.: Беларуская навука, 1997. - 87 с.

3.Гаврилко В. М., Алексеев В. С.Фильтры буровых скважин. Изд. 2, перераб. И доп. М., «Недра», 1976. 345с.

4. Апельцин И. Э. Подготовка воды для затопления нефтяных пластов. М., Гостоптехиздат, 1960 299 с.

5. Ивашечкин В. В., Кондратович А. Н., Макарова Э. А. Исследование отложений в фильтрах водозаборных скважин и тестирование реагентов для их удаления. Мир технологий №1, 2004 г., стр. 81- 88.

Рис. 1

Рис. 2

11

Подстрочные надписи к статье Шейко А. М., Ивашечкин В. В., Холодинская Н. В., Макарова Э. А.

Рис. 1. График распределения скважин по долговечности.

Рис. 2. Гистограмма относительных частот W гамма распределения.

Размещено на Allbest.ru