Наукове обґрунтування продуктивності водозабірних свердловин систем водопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО

ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

УДК 628.112.001.8

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ

ВОДОЗАБІРНИХ СВЕРДЛОВИН СИСТЕМ

ВОДОПОСТАЧАННЯ

05.23.04 - водопостачання, каналізація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ТУГАЙ АНАТОЛІЙ МИХАЙЛОВИЧ

Рівне - 2002

АНОТАЦІЯ

Тугай А.М. Наукове обґрунтування продуктивності водозабірних свердловин систем водопостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. - Український державний університет водного господарства та природокористування Рівне 2002.

Дисертація присвячена науковому обґрунтуванню і розробці більш надійних і досконалих математичних моделей і методів розрахунку технологічних параметрів підземних водозаборів (свердловин і трубчатих колодязів), що працюють в складних гідрогеологічних обставинах і в умовах деформацій пористого середовища в присвердловинній зоні у вигляді механічного і хімічного кольматажу, а також розрахунків відновлення їх продуктивності шляхом хімічної регенерації різними способами.

Одержані нові більш точні загальні рішення задач просторової напірної і безнапірної фільтрації, які дозволяють визначити загальну витрату свердловин, ділянки височування і нависання потоку, фільтраційні опори, що обумовлені недосконалістю свердловин, а також побудувати вільну поверхню безнапірного потоку. Розроблені і реалізовані загальні математичні моделі механічного і хімічного кольматажу сполуками заліза, які складаються з моделей фільтрації із врахуванням зміни коефіцієнту фільтрації (пористості) і моделей динаміки фільтраційних деформацій за рахунок кольматажу. На основі цих моделей складена інженерна методика розрахунку основних технологічних параметрів свердловин. Методи розрахунку хімічної регенерації побудовані на основі складених і реалізованих математичних моделей для технологічних схем обробки кольматажу розчиненим реагентом відомими способами реагентної ванни і циклічним в умовах зворотно-поступального руху підземних вод в присвердловинній зоні.

Наведена дослідно-виробнича апробація методики розрахунку механічного і хімічного кольматажу фільтрів свердловин з використанням дослідних даних. Приводяться рекомендації з вибору ефективних хімічних реагентів і методів очищення фільтрів і прифільтрового простору від механічного і хімічного кольматажу з метою відновлення продуктивності водозабірних свердловин.

Ключові слова: водозабірні свердловини, продуктивність, фільтрація, кольматаж, фільтр, математичні моделі, методи розрахунку, регенерація, апробація.

АНОТАЦИЯ

Тугай А.М. Научное обоснование производительности водозаборных скважин систем водоснабжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. - Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования, Ровно, 2002.

В диссертации рассматриваются общие положения и существующие методы расчета производительности совершенных и несовершенных водозаборных скважин, работающих в разных гидрогеологических условиях. Описаны процессы механического и химического кольматажа, а также проанализированы существующие методы их учета при определении производительности скважин. Проведено анализ существующих теоретических решений и методов расчета задач фильтрации к скважинам в напорных и безнапорных водоносных пластах. Получено общее гидромеханическое решение стационарной пространственной задачи фильтрации к несовершенным скважинам, которое состоит из уравнения для определения потенциала скорости и положения свободной поверхности z. Рассмотрены различные случаи расположения фильтров в водоносном пласте. Решены задачи фильтрации к скважине с граничным условием , то есть при условии принятия значения напора (уровня) вдоль фильтра постоянным. Получены аналитические решения и методы расчета в условиях безнапорной фильтрации, которые позволяют определять дебит скважины, глубину (уровень) свободной поверхности вблизи скважины, участок высачивания и построить свободную поверхность фильтрационного потока. Для пользования полученными решениями и зависимостями разработаны численный алгоритм и программы, составлены вспомогательные графики и таблицы. Выполнено сравнительный анализ, который показал, что существующие методы расчета, основанные на осреднении напора по высоте фильтра, в сравнении с рекомендованными более точными методами, дают завышенные значения производительности в среднем на 15...20% и это расхождение увеличивается с уменьшением длины фильтра.

На основе более точного аналитического решения задачи напорной фильтрации к несовершенной скважине разработаны более точные формулы для определения фильтрационного сопротивления по степени вскрытия пласта.

Сформулирована общая математическая модель формирования деформационных процессов при фильтрации воды в прискважинной зоне, которая состоит из двух связанных между собой блоков: гидродинамического (фильтрационного) и динамики фильтрационных деформаций в пористой среде. Модель реализована для принятой схемы формирования и развития механического кольматажа в фильтре и прифильтровой зоне, которая состоит из трёх стадий. Для каждой стадии разработаны методы расчета объемной концентрации взвешенных веществ в жидкости С и удельного объема осадка в фильтре b, а также подвижных границ образования осадка (границ перехода от одной к другой стадии). Для каждой стадии получены зависимости для снижения напоров (уровней), обусловленных механическим кольматажом.

Физически и теоретически обоснованы и разработаны модели и методы расчета химического кольматажа фильтров скважин соединениями железа. Предложенные методы позволяют рассчитать параметры химического кольматажа в условиях интенсивной и замедленной динамики накопления осадка в фильтре с учетом при этом существующих особенностей кольматации и влияния различных факторов на этот процесс. Определена динамика изменения уровней воды в скважине и дополнительных сопротивлений при кольматации фильтра соединениями железа.

Рассмотрены вопросы восстановления производительности скважин на основе использования реагентных методов. Проведено обоснование и построение математических моделей, на их основе разработаны методы расчета химической регенерации скважин, закольматированных приимущественно соединениями железа, применительно к циклической обработке кольматанта и способом реагентной ванны. Для осуществления химической регенерации предложен новый весьма эффективный реагент с довольно сложным химическим составом, оказывающий селективное действие на катионы различных металлов, входящих в состав кольматанта. Реагент защищен патентом СССР на изобретение.

Приведена опытно-производственная апробация методики расчета механического и химического кольматажа фильтров скважин с использованием опытных данных Результаты исследований внедрены на конкретных объектах систем водоснабжения.

Ключевые слова: водозаборные скважины, производительность, фильтрация, кольматаж, фильтр, математические модели, методы расчета, регенерация, апробация.

ANNOTATION

Tugay A.M. Scientific ground of the water intake chink efficiency of the water supply systems. - Manuscript.

Thesis to acquire scientific degree of Doctor of Technical Science on specialty 05.23.04 - Water Supply, sewerage. - Ukrainian State University of Water Economy and Nature Management. Rivne, 2002.

Thesis is devoted to feasibility study and development of more reliable and modern mathematical models and methods of calculation of technological parameters of underground water intakes (wells and well point systems), working in difficult hydro-geological situations and under conditions of porous medium in well surrounding zone in the form of mechanical and chemical colmatage, and calculation of productivity resumption by different methods of chemical regeneration.

More accurate general ways to solve problems of spatial pressure and gravity-type filtration are obtained which helps to determine total well consumption, areas of oozing and overhand of flow, filtration supports, stipulated by imperfection of wells, and to construct free surface flow. General mathematical models of mechanical and chemical colmatage with iron compounds are developed and implemented which are make up of filtration models with regard to filtration (porousity) coefficient changes and models of dynamics of filtration deformations by colmatage.

Engineering calculation methods of basic technological parameters of wells are formed on the basis of these models. Calculation methods of chemical regeneration are built on the basis of developed and implemented mathematical models for technological circuits of colmatage treatment with dissolved reagent by well-known methods of reagent bath and cyclic methods under conditions of reciprocating movement of underground water in a well surrounding zone.

Research and manufacturing approbation of calculation methods of mechanical and chemical colmatage of well filters is given with application of research data. Recommendations to choose effective chemical reagents and methods of filters and attached space purification from mechanical and chemical colmatage are represented with the purpose of resumption of water intake wells productivity.

Key words: water intake wells, productivity, filtration, colmatage, filter, mathematical models, calculation methods, regeneration, approbation.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: Олійник Олександр Якович, доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України, Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти:Душкін Станіслав Станіславович, доктор технічних наук, професор, Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення і очистки води.

Гіроль Микола Миколайович, доктор технічних наук, професор, Український державний універ-ситет водного господарства та природокорис-тування, завідувач кафедри водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції.

Пивовар Микола Григорович, доктор технічних наук, професор, Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач відділу гідродинаміки гідротехнічних споруд.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук, м. Київ.

Захист відбудеться 26/12/2002 року о 10.. годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 при Українському державному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33000, м. Рівне, вул., Соборна 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного університету водного господарства та природокористування за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий 22/11/ 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Востріков В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах дефіциту поверхневих вод та їх в цілому забрудненого стоку однією із гострих проблем для України є забезпечення надійного і безперервного водопостачання населення сіл і міст питною водою із підземних джерел. Проте існуючий досвід експлуатації вертикальних свердловин, які, як правило, працюють в складних гідрогеологічних умовах і при різних довжинах фільтра в водоносних горизонтах, показує, що методи їх розрахунку, розроблені для досить схематизованих гідрогеологічних умов і течій підземних вод, недосконалі, не завжди відповідають дійсній продуктивності, потребують уточнення. Крім того, основні показники експлуатації водозабірних свердловин на підприємствах водопровідно - каналізаційного господарства України з часом значно знижуються. Пояснюється це тим, що в процесі роботи в водозабірних свердловинах відбуваються процеси механічного, хімічного і біологічного кольматажу їх фільтрів і прифільтрового простору, що призводить до збільшення гідравлічного опору в свердловині, зниження динамічного рівня води в ній, зменшення притоку води і в цілому продуктивності свердловин. Ці процеси відбуваються на протязі більшого чи меншого часу експлуатації водозаборів і потребують їх ремонтів - відновлення фільтруючих властивостей фільтрів і прифільтрових зон.

У світовій практиці при розрахунках продуктивності водозабірних свердловин зміни гідродинамічних процесів фільтрування за рахунок різних видів кольматажу в прифільтровій зоні свердловин в більшості випадків спеціалістами не враховуються. На вивчення та наукове обґрунтування динаміки цих процесів і їх вплив на продуктивність свердловин направлені дослідження цієї роботи.

В Україні, державах СНД для відновлення роботи свердловин використовуються різні способи внутрішньопластової регенерації, як механічного, так і хімічного характеру. При цьому, проведений аналіз експлуатації артезіанських свердловин і водопонижуючих трубчатих бурових колодязів показав, що крім кольматації присвердловинної зони забрудненнями органічного і механічного походження особливо важливим для різних регіонів нашої країни є хімічне забруднення свердловин різними сполуками заліза. Тому дослідження вказаних процесів з метою розробки більш надійних і обґрунтованих методів розрахунку технологічних параметрів свердловин в умовах їх кольматації і відновлення роботи з врахуванням при цьому економічних показників є важливою і актуальною народногосподарською і науковою проблемою. При вирішенні цієї наукової проблеми, пов'язаної з вивченням гідродинамічного режиму притоку підземних вод до свердловин в складних гідрогеологічних умовах, їх кольматації і наступної регенерації, стає потреба розробки теоретичного обґрунтування вказаних процесів з широким залученням фундаментальних основ теорії фільтрації і фізико-хімічної гідродинаміки. Таке теоретичне обґрунтування полягає в побудові більш досконалих фізичних і математичних моделей, які повинні ґрунтуватися і враховувати особливості фільтрації до свердловини, переносу і міграції різних часток і забруднень в умовах підземного потоку, складної кінетики обміну і деформацій цих процесів в насичених пористих середовищах, хімічних реакцій в розчинах і на твердій фазі.

Таким чином, вперше розглянуто ефективність роботи свердловин на основі комплексного теоретичного вивчення питань взаємодії факторів гідравлічних і фізико-хімічних процесів кольматажу в умовах фільтрації в пористому середовищі (зміна гідравлічних властивостей середовища, різні кінетики масообміну і реакції, нестаціонарність процесів та ін.). На цій основі визначена можливість відновлення продуктивності водозаборів.

Реалізація таких моделей і розробок різними математичними методами з залученням дослідних даних різних авторів дозволить створити надійну розрахункову базу в проектній практиці.

Окреслена вище низка невирішених питань має важливе народногосподарське значення для України, свідчить про актуальність проблеми, пов`язаної з покращенням постачання міст і сіл питною водою.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках державної програми “Охорона навколишнього середовища” і тісно пов`язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА) на замовлення Міністерства освіти і науки України (Звіти про НДР №№ держреєстрації 0198U007911, 0101U003407, 1999-2001 рр.).

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні і розробці на цій основі більш надійних і досконалих методів розрахунку технологічних параметрів підземних водозаборів (свердловин і трубчатих колодязів), що працюють в складних гідрогеологічних умовах і при деформаціях пористого середовища в присвердловинній зоні у вигляді механічного і хімічного кольматажу, а також розрахунків відновлення їх продуктивності шляхом хімічної регенерації різними способами.

Для виконання поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі: підземний водозабір гідрогеологічний кольматаж

- провести аналіз основних існуючих положень з теорії розрахунку продуктивності водозабірних свердловин і удосконалити їх на підставі використання методу фільтраційних опорів стосовно до складних гідрогеологічних умов роботи свердловин та ін.;

- визначити процеси утворення різних видів кольматажу та основні методи його розрахунку при визначенні продуктивності свердловин;

- побудувати гідромеханічні рішення задач фільтрації до недосконалих свердловин;

- розробити методи розрахунку напірної і безнапірної фільтрації до недосконалих свердловин на підставі отриманих рішень з урахуванням впливу різних факторів на значення фільтраційних опорів;

- обґрунтувати фізичні концепції утворення механічного і хімічного кольматажу свердловин;

- скласти математичні моделі і на їх основі розробити методи розрахунку параметрів механічного і хімічного кольматажу сполуками заліза присвердловинної зони;

- розробити математичне моделювання і методи розрахунку процесів регенерації закольматованих фільтрів хімічними реагентами (сполуками) для різних технологій вводу реагенту;

- провести дослідно-виробничу апробацію розрахункових рекомендацій;

- впровадити результати досліджень у виробничу практику.

Об`єкт дослідження - водозабірні свердловини систем водопостачання.

Предмет дослідження - наукове обґрунтування продуктивності водозабірних свердловин, які працюють в складних гідрогеологічних умовах, при кольматації фільтра і прифільтрового простору, їх регенерація, що забезпечує підвищення продуктивності і надійності їх експлуатації.

Методи дослідження - фізичне і математичне моделювання процесів фільтрації, механічного і хімічного кольматажу, хімічної регенерації при роботі свердловин в різних умовах, використання чисельних і аналітичних методів визначення параметрів вказаних процесів, використання дослідних даних, одержаних в лабораторних і виробничих умовах, для апробації запропонованих методів розрахунку.

Наукова новизна одержаних результатів:

- отримано нові результати фундаментальних досліджень для розрахунків водозабірних свердловин систем водопостачання;

- розроблені більш точні моделі просторової напірної і безнапірної фільтрації до недосконалих свердловин. Реалізація цих моделей дозволила значно уточнити методи розрахунку гідравлічних опорів в умовах напірної фільтрації і розробити методи розрахунку основних фільтраційних параметрів (дебіту, висот височування і нависання потоку) при безнапірній фільтрації до досконалих і недосконалих свердловин;

- проведена оцінка ефективності роботи свердловин при деформаціях ґрунту за рахунок кольматажу пористого середовища в присвердловинній зоні в умовах взаємодії фільтраційних і фізико-хімічних факторів, які формують цей процес. При цьому показано, що такий важливий параметр при розрахунках продуктивності свердловин, як фільтраційний опір за характером розкриття водоносного пласту в основному формується за рахунок механічної і хімічної кольматації фільтра і прифільтрової зони;

- вивчені механізми і особливості процесів механічного і хімічного кольматажу в присвердловинній зоні в умовах трансформації і міграції багатокомпонентної системи, в якій внаслідок обмінних явищ між твердою (нерухомою) і рідкою фазами і різних хімічних реакцій виникає і накопичується осад в пористому середовищі;

- сформульована і побудована на основі прийнятих фізичних уявлень досконала математична модель накопичення осаду частками різних розмірів при механічному кольматажу та показано його утворення і розповсюдження у присвердловинній зоні. При цьому динаміка цього накопичення в фільтрі і на ділянках прифільтрової зони розглянута в умовах і на протязі дії окреслених трьох стадій кольматажу;

- для вивчення процесів хімічного кольматажу фільтрів свердловин сполуками заліза побудована математична модель, яка складається з двох взаємопов'язаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки утворення сполук заліза в фільтраційному пористому середовищі з врахуванням впливу основних факторів на процес хімічної кольматації (зміна фільтраційних властивостей середовища, нестаціонарність процесу, різні кінетики масообміну і реакцій при різних концентраціях заліза та кисню у воді і т.п.).

- вивчено механізм регенерації різними способами і реагентами присвердловинної зони, що закольматована сполуками заліза, і на основі цього сформульовані більш надійні і обґрунтовані моделі регенерації розчинами різних реагентів для найбільш розповсюджених технологій обробки методом реагентної ванни на основі розгляду спрощених моделей і при циклічному вводі реагенту на основі розгляду більш складної дисперсно-конвективної моделі переносу реагенту і продуктів реакції.

Практичне значення одержаних результатів:

- практична цінність результатів наукових досліджень полягає в тому, що на базі розроблених математичних моделей створено досконалі інженерні методи розрахунку параметрів механічного і хімічного кольматажу в часі і в об'ємі фільтра та прифільтровій зоні свердловини, додаткових фільтраційних опорів і втрат напору з врахуванням особливостей формування і накопичення кольматуючого осаду. Це дозволяє більш досконало проектувати розміри фільтрів, визначати в часі технологічні режими роботи водозабірних свердловин, прогнозувати зниження їх продуктивності внаслідок процесів механічного і хімічного кольматажу, визначати терміни проведення регенерації фільтрів свердловин, обсяг і проведення міжремонтних відновлювальних робіт.

- науковими результатами для впровадження в проектну практику можуть бути нові методи розрахунку механічного і хімічного кольматажу, рекомендації по визначенню зниження продуктивності водозабірних свердловин за рахунок цих процесів, а також нові методи розрахунку їх регенерації. Запропоновані розрахункові рекомендації дозволяють без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні і конструктивні характеристики надійної роботи водозабірних свердловин;

- результати досліджень, впроваджені в Управлінні експлуатації артезіанських свердловин і насосних водопровідних станцій ВАТ АК “Київводоканал”, отримано додаткове збільшення подачі води 9 відновленими свердловинами на 2,15 млн. м³ в розрахунку на рік (Додаток 1, акт впровадження від 28 лютого 2002 р.); на підприємстві “Луцькводоканал” додатково подано води місту Луцьку на 1,37 млн. м³ в розрахунку на рік (Додаток 2, акт впровадження від 19 вересня 2001 р.); на ДКП “Вишнівськводоканал” продуктивність відновлених свердловин зросла на 391,2 тис. м³ в розрахунку на рік (Додаток 3, акт впровадження від 25 жовтня 2001 р.). Загальна ефективність впроваджених розробок на трьох різних за виробничою потужністю водопровідних господарствах України оцінюються збільшенням подачі води відновленими свердловинами в розмірі 3,91 млн. м³ в розрахунку на рік.

- результати досліджень передані в науково-дослідний і проектний інститут ВАТ “Укрводпроект” Держводгоспу України для використання при розробках проектів свердловин (Додаток 4 від 12 березня 2002 р.);

- наукова робота має і соціальний ефект - хімічний кольматант фільтрів призводить до зниження концентрації шкідливих забруднень заліза за рахунок його затримання в фільтрі і прифільтровій зоні з наступним вилученням при регенерації свердловин.

Особистий внесок автора. Основні наукові ідеї і положення теоретичних і експериментальних досліджень розроблені і сформульовані автором особисто. Виконано: обґрунтування і формулювання фізичних і математичних моделей фільтрації при деформаційних процесах в пористому середовищі. Розроблена методика розрахунку напірної і безнапірної фільтрації до недосконалих свердловин та параметрів механічного і хімічного кольматажу, визначення додаткових фільтраційних опорів і втрат напору внаслідок кольматації. Дано наукове обґрунтування і розрахунки різних технологій хімічної регенерації свердловин. Проведена оцінка впливу різних факторів на продуктивність свердловин, які експлуатуються в зазначених складних природних умовах. Розроблені інженерні рекомендації, проведена їх апробація і впровадження у виробничу і проектну практику. Всі результати досліджень отримані автором особисто. Ідеї співавторів наукових праць в дисертаційній роботі не використовувались.

При розгляді деяких питань дисертації автор користувався порадами свого наукового консультанта члена кореспондента НАН України Олійника О.Я., за що йому щиро вдячний.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і

головні положення дисертації доповідались на республіканському науковому семінарі з проблем водопостачання , водовідведення і охорони водоймищ від забруднень (м.Київ, 1991 р.); на міжнародних науково-практичних конференціях: “Сучасні технології та устаткування для інтенсифікації роботи систем водопостачання і водовідведення”, К., 1999 р.; “Визначення перспективних шляхів науково-методичного та наукового забезпечення виконання державних комплексних програм з водного господарства”, К., 2001 р.; “Устойчивое развитие городов”, Харьков, 2002 р.; “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”, Миргород, 2002 р.; на міжнародному конгресі “ЕТЕВК-2001”, Ялта, 2000 р.; на науково-практичних конференціях КНУБА в 1991-2002 рр. та ХДТУКГ в 2001 р.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 35 наукових роботах, в тому числі: 3 монографії, 2 підручники, 2 патенти і 28 статей (у 17 фахових виданнях), 20 з них написано одноосібно.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 9-ти розділів, загальних висновків, списку літератури з 307 найменувань, 4 додатків і вміщує 287 сторінок основного тексту, в тому числі: 16 таблиць, 36 рисунків, всього 322 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладена її наукова та практична цінність.

У першому розділі зроблено критичний аналіз теоретичних досліджень і методів розрахунку продуктивності вертикальних свердловин і трубчатих колодязів, що працюють в різних гідрогеологічних умовах їх експлуатації. Розвиток цих досліджень передусім пов'язаний з необхідністю і потребою широкого будівництва водозабірних і дренажних систем для забезпечення населення питною водою і в якості захисних заходів при боротьбі з затопленням і підтопленням різних територій. Вивчення роботи одиночних і групових взаємодіючих свердловин, які відбирають воду із напірних і безнапірних водоносних горизонтів, складених з одного чи кількох водоносних шарів, розділених між собою слабопроникними прошарками, займались в свій час вітчизняні та зарубіжні вчені і фахівці Веригін М.М., Олійник О.Я., Бочевер Ф.М., Шестаков В.М., Усенко В.С., Поляков В.Л., Ляшко І.І., Полубаринова-Кочина П.Я., Нумеров С.М., Прокопчук І.Т., Жернов І.Є., Хоружий П.Д., Шержуков Б.С., Хейн О.Ф., Кремез В.С., Лаврик В.І., Сірий В.С., Телима С.В., Маскет М., Хантуш М., Джейкоб К., Боултон Н., Ньюмен Ш., Кейсел Ч., Дакштейн Л. та інші. Показано, що існуючі методи розрахунку продуктивності свердловин розроблені, як правило, для досить схематизованих гідрогеологічних умов, недосконалі, не враховують ряд факторів і особливостей течії підземних вод до свердловин. Зокрема це відноситься до необхідності більш надійного обґрунтування і вдосконалення методу фільтраційних опорів, який широко використовується при розрахунках різних схем і систем водозабірних свердловин, особливо які працюють в складних гідрогеологічних умовах. Зазначимо, що обґрунтування фільтраційного опору по ступеню розкриття пласта, який обумовлений недосконалістю свердловин і колодязів, базується в основному на неповних, спрощених по своїй гідродинамічній постановці задачах фільтрації та їх реалізації наближеними теоретичними методами.

Так визначення цих опорів, що виконані для умов напірної фільтрації при ряді припущень і обмежень в її постановці, як показав наступний аналіз, приводить до суттєвих неточностей в їх визначенні. Відсутні науково- обґрунтовані методи розрахунку безнапірної фільтрації до свердловин взагалі і в тому числі основані на використанні методу фільтраційних опорів. В останньому випадку визначення опорів на недосконалість свердловин рекомендується здійснювати без належного обґрунтування, як і у випадку напірної фільтрації, при визначенні яких також приймались різні обмеження і припущення. Експериментальними дослідженнями виявлені суттєві похибки у визначенні опорів при такому підході. Окрім режиму безнапірної фільтрації потребують оцінки впливу і інших факторів (нестаціонарність потоку, близьке розташування свердловин, що особливо важливо при будівництві систем водозабірних свердловин у великих містах і т.п.) на значення гідравлічних опорів.

У другому розділі розглядаються основні принципи формування фільтраційних деформацій через кольматаж фільтрів і прифільтрового простору різної фізико-хімічної природи його виникнення: механічної, хімічної (в основному сполуками заліза) та біологічної. Оцінюється вплив кольматажу на зниження продуктивності водозабірних свердловин (трубчатих колодязів). Приводиться аналіз існуючих підходів і методів розрахунку параметрів свердловин в умовах їх кольматації, аналіз використаних фізичних і математичних моделей, які описують фізико-хімічні, гідродинамічні процеси механічного та хімічного кольматажу свердловин. В умовах механічного кольматажу при фільтрації за рахунок дії різних механізмів відбувається утворення і накопичення в поровому просторі осаду завислих часток (забруднень) різного механічного походження, що призводить до зменшення коефіцієнта фільтрації і пористості середовища і внаслідок цього до зростання додаткового гідравлічного опору пористого середовища в окремих зонах. Аналіз існуючих моделей і розроблених на їх основі методів розрахунку виконані на основі використання спрощених моделей кінетики утворення і розповсюдження кількості осаду в пористому середовищі (Веригін М.М., Олексієв В.С., Коммунар Г.М., Грабовський П.А., Олійник О.Я., Пивовар М.Г., Поляков В.Л., Бугай М.Г., Хлопук М.М., Гіроль М.М., Гаврилко В.М., Журба М.Г., Мінц Д.М., Кульський Л.А., Ярошевська Н.В., Душкін С.С., Шехтман Ю.Н., Капранов Ю.І., Хабіров А.С., Хант Д., Зітар Н., МкДовел-Бауер Л. та інші). Зовсім недостатньо вивчено формування і обґрунтування величин втрат напору і гідравлічних опорів за рахунок кольматації в окремих зонах і на різних стадіях процесу.

Формування хімічного кольматажу, переважно сполуками заліза, найбільш вивчено в останній час стосовно процесів знезалізнення води на очисних фільтрах в умовах значних концентрацій заліза у вихідній воді (Орлов В.О., Сергієв Ю.С., Юрков С.В., Терновцев В.О., Хоружий П.Д., Олійник О.Я., Гончарук В.В., Кисельов С.К., Шеренков І.А., Кривоног О.І., Калугін Ю.І., Муромцев Л.М., Кулішенко О.Ю., Тарасевич Ю.І., Остапенко В.Т., Хомутецька Т.П., Асс Г.Ю., Золотова Г.Ф., Ніколадзе Г.І., Руденко Г.П., Журба М.Г., Мінц Д.М., Станкявічус В.Н., Сафонов М.А., Квартенко О.М, Ден-Хойпінь, Джаст Г., Халлюта Дж., Колле В. та ін.). За своєю фізико-хімічною природою механізм утворення осаду заліза на очисних фільтрах буде в багатьох випадках однаковим з процесами, що відбуваються в прифільтровій зоні свердловин і буде відрізнятися деякими особливостями, що пов'язані з інтенсивністю динаміки утворення осаду, гідродинамічними і конструктивними факторами, що в повному обсязі не враховується в існуючих моделях і методах розрахунку (Олексієв В.С., Коммунар Г.М., Ямбулатова Ф.Х., Середкіна О.В., Олійник О.Я., Лукнер Л., Стам В. та ін.). Разом з тим, при встановленні і визначенні додаткових опорів і втрат напору, врахування цих факторів має вирішальне значення при оцінці продуктивності свердловин.

Розглядаються особливості використання технології очищення закольматованих свердловин різними хімічними реагентами з метою відновлення їх працездатності, аналізуються існуючи моделі і методи розрахунку регенерації (відновлення продуктивності) свердловин, відзначаються їх недоліки (Веригін М.М., Гаврилко В.М., Олексієв В.С., Гребінников В.Т., Кривоног О.І., Коммунар Г.Н., Прокопчук І.Т., Гадаєв А.Н., Муратова Л.М., Волков Ю.І. та інші). Встановлено, що процеси механічної і хімічної кольматації свердловин і наступну їх регенерацію доцільно вивчати з позиції теорії фільтрації, масопереносу і масообміну з застосуванням різних моделей обмінної кінетики. На основі аналізу наведеного в розділах 1,2, робляться висновки, формулюються мета і задачі досліджень за темою дисертації.

У третьому розділі на підставі проведеного аналізу існуючих теоретичних рішень і методів розрахунку задач фільтрації до досконалих і недосконалих свердловин визначені теоретичні і фізичні передумови і положення, врахування яких дозволяє більш повно обґрунтувати постановку задач напірної і безнапірної фільтрації до недосконалої свердловини. Одержано загальне гідромеханічне рішення просторової задачі фільтрації до недосконалої свердловини, яке складається з рівняння для визначення потенціалу швидкості і положення вільної поверхні z. При цьому розглянуті різні випадки розташування фільтрів в водоносному пласті. Так для визначення потенціалу швидкості одержано рівняння:

(1)

При цьому, з урахуванням умови на контурі живлення області фільтрації (при маємо ) для напірної фільтрації виділимо три можливі ділянки (зони)(рис.1): нижня зона (під фільтром) (),зона розташування фільтра () і верхня зона (над фільтром) (), для яких на основі загального рівняння (1) одержані спрощені рівняння для визначення потенціалу (напору) в кожній зоні фільтрації.

Одержані рівняння являють собою точне аналітичне рішення задачі притоку підземних вод до лінійного стоку в напірному водоносному пласті потужністю m. В той же час воно є наближеним аналітичним рішенням задачі притоку ґрунтових вод до лінійного стоку в безнапірному горизонті, причому ця наближеність викликана прийняттям лінеаризованої умови на вільній поверхні, до того ж, знесену на невідому горизонтальну площину z=m. Для визначення положення вільної поверхні на основі відомої формули з урахуванням рівняння для потенціалу швидкостей в зоні розташування вільної поверхні (в шарі над фільтром) одержимо загальне рівняння вільної поверхні, яке після осереднення його по просторовій координаті r має такий вигляд:

(2)

Далі, на відміну від попередніх результатів розглянуто задачі фільтрації до свердловини з граничною умовою на ній , тобто при умові прийняття значення напору (рівня) вздовж фільтра постійним. Розглянуті випадки напірної і безнапірної фільтрації (рис. 1-3). Одержані аналітичні рішення і методи розрахунку, які дозволяють визначити витрату свердловини, глибину (рівень) вільної поверхні поблизу свердловини, ділянку височування та побудувати вільну поверхню фільтраційного потоку фільтра.

1) У випадку затопленого фільтра при напірній фільтрації (рис.1) загальна подача води свердловиною складе:

(3)

де (4)

(5)

2) У випадку затопленого фільтра при безнапірній фільтрації (рис. 2) подача води буде:

(6)

де (7)

(8)

В останньому випадку для визначення невідомих глибин (рівняння вільної поверхні) поблизу свердловини h₀ та осередненої потужності пласту m в умовах безнапірної фільтрації в дисертації одержані додаткові рівняння.

3) При незатопленому фільтрі у випадку безнапірної фільтрації (рис. 3) для визначення витрати свердловини формула набуде вигляду:

(9)

де (10)

в якій значення потужності приймається згідно з попередньою рекомендацією. В формулі (9) константа Ф (свого роду поправка на недосконалість свердловини по ступеню розкриття пласта) визначається за формулою (10). Поклавши у формулі (9) b₁=0 отримаємо відому формулу Дюпюї для визначення витрати досконалої свердловини:

(11)

Знаючи значення витрати Q можна отримати вираз для визначення ділянки височування h_b.

Для зручності користування одержаними рішеннями і залежностями розроблені чисельні алгоритми і програми, складені допоміжні розрахункові графіки і таблиці. При цьому були використані методи послідовних наближень і ітерацій, зокрема побудована ітераційна схема чисельного розрахунку для визначення і уточнення розрахункової потужності водопроникного пласту m.

У четвертому розділі на основі одержаного аналітичного рішення задачі притоку води до недосконалої свердловини розроблені рекомендації по визначенню параметрів свердловин в умовах напірної і безнапірної фільтрації.

У випадку однорідного напірного водоносного шару вираз для визначення дебіту свердловини в круговій області фільтрації (рис.1) одержано в такому вигляді

, , (12)

в якій функції U₁ і U₂ визначаються за формулами:

 (13)

. (14)

Так як , то в формулах (13) і (14) можна приймати ( при похибка у визначенні функцій U₁ і U₂ складає менше 1%). Для інженерних розрахунків рівняння (13) (14) протабульовані і для одержання кількісних значень функцій U₁ і U₂ побудовані більш прості залежності, таблиці і графіки.

Зіставивши формулу (12) з відомою формулою М.М. Веригіна для визначення дебіту недосконалої свердловини, яка має вигляд

, , (15)

Маємо

(16)

З рівняння (16) одержимо більш точний вираз для визначення фільтраційного опору

,де U = U₁ + U₂ (17)

Це дозволить використовувати при фільтраційних розрахунках параметрів свердловин відомий метод фільтраційних опорів.

Таким чином, в існуючих методах розрахунку недосконалих свердловин в формулі (15), як і в інших залежностях, в якості розрахункового опору слід приймати опір , який визначається по формулі (17) чи по такій залежності:

. (18)

Тут значення поправочного коефіцієнту для випадків b₁=0 чи b₂=0, тобто для найбільш поширеного на практиці розташування фільтру біля покрівлі чи підошви водоносного шару, приймається із графіка рис. 4 і в цілому він змінюється в межах

Для врахування впливу неусталеного режиму фільтрації до недосконалої свердловини, тобто на величину опору чи , а також впливу взаємодії роботи свердловин на опір при їх близькому розташуванні і інших факторів можна використати запропоновані в дисертації рекомендації по цим питанням.

Виконано порівняльний аналіз розрахунку дебіту і опору свердловин по існуючим наближеним і рекомендованим більш точним формулах. Так наближена формула дає занижені в 1.5-2.0 рази значення опору о, що може суттєво позначитись на величині дебіту Q. Дійсно наближена формула (15), яка основана на осередненні напору по висоті фільтра і запропонована для використання в практичних розрахунках, дає в порівнянні з більш точною формулою (12) завищене значення витрати в середньому на 15...20% і це розходження збільшується із зменшенням довжини фільтра.

Для умов безнапірної фільтрації на основі більш точних рішень розроблена методика розрахунку досконалих і недосконалих свердловин в безнапірному потоці для двох випадків: затопленого (рис. 2) і незатопленого (рис. 3) фільтра. Ця методика дозволяє визначити дебіт свердловин, ділянки нависання вільної поверхні при затопленому фільтрі і ділянки височування при незатопленому фільтрі, а також побудувати вільну поверхню безнапірного потоку. Функції, які входять в розрахункові залежності, протабульовані, і для їх визначення запропоновані необхідні графіки і таблиці.

Зокрема для схеми затопленого фільтра маємо:

, (19)

а для схеми незатопленого фільтру з ділянкою височування висотою h_в = h₀ - h_с , h_с = b₁ + l_Ф маємо:

, (20)

Хоча наведені залежності одержані для схеми кругової області фільтрації, разом з тим до цієї схеми відомими методами можуть бути приведені й інші схеми планового потоку ґрунтових вод до свердловин, а також за рахунок використання методу фільтраційних опорів можуть бути використані при розрахунках інших областей фільтрації.

У п`ятому розділі сформульована загальна математична модель формування деформаційних процесів за рахунок механічних кольматажу і суфозії при фільтрації підземних вод в присвердловинній зоні, яка складається із двох взаємопов'язаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки фільтраційних деформацій в пористому середовищі. Фільтрація і масообмін в прифільтровій зоні буде розглядатися при осьовій симетрії цих процесів, тобто в умовах притоку підземних вод до свердловини в круговій в плані області фільтрації. Крім того, вважається, що лінійний закон фільтрації (закон Дарсі) в прифільтровій зоні при проходженні фільтраційних деформацій не порушується.

Гідродинамічний блок моделі складається з рівнянь фільтрації і нерозривності фільтраційного потоку з урахуванням зміни коефіцієнта фільтрації (пористості) в присвердловинній зоні внаслідок накопичення (осадження) або виносу дрібних часток з пористого простору ґрунту. Блок динаміки фільтраційних деформацій складається з рівняння руху (міграції) і збереження маси речовини, асоційованої з фільтратом (завислі речовини в фільтрі) нелінійних і лінійних рівнянь кінетики масообміну окремо записаних для процесів кольматажу і суфозії.

Виконаний аналіз наведених рівнянь і оцінка окремих його членів дозволяє стосовно до задачі, що вирішується, спростити ці рівняння, враховуючи при цьому наступні положення і оцінки: 1- режим фільтрації приймається жорстким (рідина і пористе середовище нестисливі); 2 - вклад дифузійного члена буде незначний і ним в розрахунках можна знехтувати; 3 - в умовах кольматації і суфозії різні перетворення (трансформації) завислих часток і важкорозчинних солей відсутні; 4 - при чисто кольматаційному процесі відрив часток назад у розчин не відбувається; 5 - при визначенні коефіцієнта фільтрації закольматованої ділянки присвердловинної зони за формулою:

(21)

для функції F(b) отримані різні апроксимації, які можна представити наступними узагальненими формулами:

 (22)

(23)

де - n₁, n₂, a - дослідні коефіцієнти.

Розглядаючи далі важливі для практики процеси кольматажу зазначимо, що в результаті аналізу діючих схем і підходів за основу прийнято фізичну концепцію або схему кольматажу присвердловинної зони фільтраційним потоком, яка складається з окремих ділянок і запропонована в свій час М.М.Веригіним. Ця схема удосконалена стосовно до задач, про що буде сказано нижче. Згідно з цією схемою модель динаміки формування й розвитку процесу механічного кольматажу в присвердловинній зоні складається з трьох стадій і приведена на рис. 5.

Надалі приймається, що відкачка води проходить з постійним дебітом Q=const. В першій стадії йде внутрішня кольматація одношаристого фільтра з зовнішньою границею радіусом r₁, при кінцевій швидкості відкладення завислих часток. Коли на зовнішній границі фільтра наповнення досягає такого значення, що значні завислі частки з середнім діаметром d_max уже не можуть проникати в фільтр, так як розміри відкритих пор з часом зменшуються, закінчується перша стадія. В другій стадії відбувається одночасно кольматація в середині фільтра більш дрібними частками середнім діаметром d_min згідно прийнятої моделі й відкладення перед зовнішньою границею осаду з частками діаметром d_max. Друга стадія закінчується_, коли накопичення (насичення) на зовнішній границі буде таке, що й дрібні частки d_min не можуть проникати в середину фільтра. Тоді починається третя стадія, коли в фільтр надходить чиста вода, а через фіксовану границю відкладень з частками d_max починають проникати й випадати в осад на ділянці () дрібні частки з діаметром d_min, кольматуючи його згідно прийнятої моделі. На зовнішній границі R₂() відкладаються великі частки з діаметром d_max (рис. 5).

Відповідно до цієї схеми на основі загальної моделі з врахуванням прийнятих відносно неї положень і оцінок для подальшої реалізації запропонована така модель

, (24)

(25)

, (26)

(27)

, (28)

яка описує механізм утворення і накопичення осаду, зміну величин напору і збільшення додаткових опорів, обумовлених кольматацією в фільтрі і на ділянках прифільтрової зони в різних умовах на протязі трьох стадій.

В наведених рівняннях: k₀ - коефіцієнт фільтрації незакольматованої (чистої) ділянки, Q - дебіт свердловини, Н - напір, l - довжина фільтруючого елементу (фільтра), r - радіальна координата, t - час, С і b - відповідно об'ємні концентрації завислих часток в фільтраті (розчині) і часток, що осіли в одиниці об'єму ґрунту, b₀ - гранична місткість поглинання (граничне значення питомого об'єму відкладень завислих речовин у ґрунті), n₀ - початкова пористість шару ґрунту, r_c і r₁ - відповідно радіуси внутрішньої (свердловини) і зовнішньої границь фільтру, - коефіцієнт швидкості кольматації, який є узагальненим параметром, що характеризує процес і в загальному випадку відображає вплив швидкості фільтрації, структурні характеристики пористого середовища і умови взаємодії часток кольматанту із зернами середовища.

З врахуванням відповідних початкових і граничних умов зазначена модель реалізована для кожної ділянки і стадії і на її основі розроблені методи розрахунку об'ємних концентрацій С і b в фільтрі і на ділянках прифільтрової зони, а також рухомих границь утворення осаду (границь переходу від однієї до іншої стадії) R₁(t) і R₂(t) (рис.5). Зокрема в результаті розв'язання системи рівнянь (27-28) при умовах C(r,0)=0, b(r,0)=0, C(r,t)=C₀, для визначення питомого об'єму завислих часток в фільтрі і об'ємної концентрації завислих часток в розчині для І стадії одержані залежності:

(29)

(30)

(31)

Для кожної стадії і ділянки одержано рішення задач плоскорадіальної фільтрації при змінному коефіцієнті фільтрації на основі яких побудовані залежності для визначення напорів (зниження рівнів) і додаткових фільтраційних опорів, обумовлених механічним кольматажем. При цьому, так як товщина фільтра і ділянок прифільтрової зони малі, коефіцієнт фільтрації приймається середнім по всьому об'єму згідно з формулою:

(32)

де - середній питомий об'єм відкладень на і-й ділянці.

Тоді, зокрема, загальна формула для визначення знижень рівня на кожній ділянці при l=m (досконалої свердловини, рис.5) буде мати вигляд:

, (33)

Або

, (34)

де - додатковий фільтраційний опір, обумовлений кольматацією фільтра і прифільтрової зони, о_k0 - фільтраційний опір при відсутності кольматажу в умовах чистого фільтру з початковим коефіцієнтом фільтрації k₁₀ та однорідної прифільтрової зони з початковим коефіцієнтом фільтрації k₂₀

, (35)

В дисертації для всіх трьох стадій одержані залежності для визначення загального опору при кольматації. Зокрема для першої стадії (ф<ф_x) маємо:

, (36)

в якій при визначенні коефіцієнта приймається середнє значення величини

 (37)

Проведена оцінка значень напорів, визначених по точній формулі в порівнянні з використанням залежності (24) з наближеною формулою з використанням залежності (32) показало, що в широкому діапазоні змін вихідних параметрів розходження між наближеним і точним значенням S не перевищує 1-2%. Для реалізації запропонованих моделей і методів розрахунку представлені рекомендації по визначенню деяких вихідних і розрахункових параметрів, зокрема: час початку ІІ і ІІІ стадій , рекомендації по визначенню коефіцієнтів фільтрації в залежності від кількості накопиченого осаду, коефіцієнту швидкості кольматації , граничної кількості накопичення осаду b₀. В окремих випадках для простих розрахунків пропонується використання спрощених залежностей.

У шостому розділі наводиться теоретичне обґрунтування і методика розрахунку хімічної кольматації фільтрів свердловин сполуками заліза. Розроблена математична модель цього процесу, яка складається із двох взаємопов'язаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки кольматації фільтра сполуками заліза. Гідродинамічний блок моделі зв'язує гідродинамічні і гідрохімічні характеристики потоку і складається із двох рівнянь: фільтрації, записаного відносно напору при Q = const, і нерозривності фільтраційного потоку, одержаних з врахуванням зміни коефіцієнту фільтрації і пористості за рахунок накопичення осаду заліза у фільтрі.

Проведений аналіз процесу хімічної кольматації фільтрів сполуками заліза показав, що внесок дифузійного члена буде незначним і ним в розрахунках можна знехтувати, дозволив також обґрунтувати найбільш доцільні кінетики обміну і реакцій, прийняти і оцінити ряд положень, які не внесуть суттєвих похибок в подальших розрахунках. З урахуванням сказаного, після деякого спрощення загальної моделі і приймаючи в умовах відкачки - техноло-гічний коефіцієнт граничного насичення пор осадом або відношення граничного питомого об'єму осаду до початкової пористості, для подальшої реалізації і аналізу прийнята, модель має вигляд:

. (38)

- гідродинамічний блок моделі складається з рівнянь (25) і (26), в яких замість концентрації b прийнята концентрація , а функція визначається за формулою (23);

...