CC BY
95
УДК 628.112.4
АНАЛИЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН г. МИНСКА
Магистрант ШЕЙКО Л. М., канд. техн. наук ИВАШЕЧКИНВ. В инженеры ХОЛОДИНСКАЯН. ВМАКАРОВА Э. А.
Белорусский национальный технический университет
Целью статистического анализа работы скважин является выявление тех или иных факторов или закономерностей, включающих геологическое строение, конструкцию фильтра, гидрохимический состав подземных вод, режим эксплуатации, которые с различной степенью интенсивности влияют на продолжительность их работы.
Для оценки долговечности были проанализированы ликвидированные и действующие скважины 11 водозаборов г. Минска. Из 604 скважин, пробуренных с 1932 г. до настоящего времени, 224 считаются полностью вышедшими из строя, остальные 380 - действующими. Из действующих 380 скважин 337 подвергались ремонту. Средний их возраст составляет 25,3 года, максимальный - 70 лет, минимальный - 6 лет. Остальные 43 скважины работают без ремонта. Средний их возраст - 14,5 года, минимальный - 5 лет, максимальный - 42 года.
В качестве основного критерия оценки продолжительности работы скважин принята их средняя долговечность.
Скважины г. Минска каптируют воду из двух водоносных горизонтов: верхнего - днеп-ровско-сожского водно-ледникового и нижнего - верхнепротерозойского (отложения валдайской серии). Эксплуатационные запасы подземных вод днепровско-сожского водно-ледникового водоносного горизонта более чем в 6 раз превышают запасы верхнепротерозойского горизонта [1]. Поэтому на 11 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 они на глубине от 20 до 70 м. Статические уровни уста-
навливаются на глубине от 1,5 до 33 м, в среднем - 12,4 м, а динамические - от 4,1 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 220-315 м. Статические уровни устанавливаются на глубине 12-43 м, в среднем -25,6 м, а динамические - 21,5-65 м, в среднем-42м [1].
По материалам УП «Минскводоканал» проанализировано распределение по долговечности (рис. 1) и относительным частотам этого распределения (рис. 2) 224 полностью вышедшие из строя скважины, пробуренные в 1932— 1995 гг. Кривая плотности распределения скважин по долговечности характеризуется крутой левой и пологой правой ветвями, а также наличием максимума в интервале 16-20 лет.
Рис. 1. График распределения скважин по долговечности
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.
Рис. 2. Гистограмма относительных частот Ж-гамма распределения
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/(чм) и минимальное - 1 м3/(чм).
Согласно проанализированным данным основными причинами выхода из строя скважин являются химическая кольматация и пескова-ние фильтров. В результате пескования наблюдался износ насосного оборудования.
Анализ зависимости первоначального удельного дебита и продолжительности работы ликвидированных скважин выявил общую тенденцию увеличения долговечности при высоком первоначальном удельном дебите. Очевид-
Взаимосвязь долговечности ск
но, 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 [2].
Таблица 1
Основные выборочные характеристики долговечности скважин
Описательная статистика Значение
Количество наблюдений 224
Среднее арифметическое долговечностей 29,17
Доверительный интервал -95 % 24,23
Доверительный интервал +95 % 34,12
Среднее геометрическое 24,25
Медиана 27,5
Минимум 5
Максимум 70
Дисперсия 277,66
Среднее квадратическое отклонение 16,66
Стандарт 2,46
Асимметрия 0,728
Погрешность асимметрии 0,35
Эксцесс 0,167
Погрешность эксцесса 0,687
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).
Таблица 2
и типа применяемого фильтра
Тип фильтра Группа А Группа Б
п q, м3/(ч-м) і п Q, м3/ч q, м3/(ч*м) і
ГПІП ср. шах ШІП ср. шах ШІП ср. шах ГПІП ср. шах ЇЇ1ІП ср. шах ШІП ср. шах
Проволочный 86 24 66 180 1 8 40 5 21 70 68 42 82 140 1 17 140 19 35 45
Проволочный с гравийной обсыпкой 23 28 67 130 1 8 20 5 19 68 148 17 87 165 2 24 260 6 22 37
Сетчатый 41 5 60 127 1 9 20 7 26 60 8 35 68 100 2 7 12 33 43 70
Каркасно-стерж- невой 6 12 72 120 1 13 40 6 25 49 7 _ 2 16 45 18 26 56
Каркасно-стержневой с гравийной обсыпкой 6 18 61 108 3 13 31 6 30 47 6 50 85 120 4 14 20 20 22 25
Щелевой 5 20 38 50 3 3 5 5 14 21 3 - 48 - 4 9 16 32 37 46
Примечание: п - число скважин; 2 - дебит скважины; q - удельный дебит; * - 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 вероятными 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 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 тем, что они имеют большие входные сопротивления, быстро разрушаются под влиянием электрохимической коррозии и 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 вышла из строя в среднем через 26 лет, в восьми требовался ремонт и их средний возраст составляет 43 года (табл. 2). Восемь действующих скважин, оборудованных сетчатыми фильтрами, имеют фактический удельный дебит 2-12 м3/(ч*м), что в среднем составляет 7 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 одна 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 их выхода из строя.
Химический состав подземных вод также влияет на долговечность скважин. В результате нарушения химического равновесия в при-фильтровой зоне за счет понижения давления происходит десорбция свободной углекислоты из подземных вод. При этом интенсифицируется гидролиз бикарбоната железа, в результате чего Ре2+ окисляется до Ре3+ с образованием гидроксида трехвалентного железа Ре(ОН)3, основного кольматирующего соединения [3].
Кроме так называемой «свободной» углекислоты, находящейся в виде растворенного в воде газа С02 и недиссоциированных молекул Н2С03, содержится «полусвязанная» углекислота в виде бикарбонатных ионов НСО3, а в некоторых случаях и «связанная» углекислота в виде карбонатных ионов СО3-. В подземных водах существует динамическое равновесие между различными формами угольной кислоты
НСО; СО^ + С02 + Н20. (1)
Из (1) следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации бикарбонат-
ных ионов НСО3 требуется, чтобы в воде присутствовало соответствующее этой концентрации количество свободной углекислоты С02, называемой равновесной углекислотой [4]. Если количество свободной углекислоты больше равновесной концентрации, то избыток способен вызывать растворение карбоната кальция. При недостатке С02 будет существовать тенденция к распаду части бикарбонатных ионов, т. е. к сдвигу вправо равновесия (1). Это приведет к дополнительному образованию СОз“, которые будут реагировать с присутствующими в подземных водах катионами кальция, с выделением из раствора осадка карбоната кальция в соответствии с уравнением
Са2+ + СО] —> СаС03
Склонность воды выделять осадок карбоната кальция или растворять его определяется индексом насыщения, предложенным Ланжелье в 1936 г. Индекс насыщения равен разнице между замеренной (фактической) и расчетной (равновесной) для данной гидрохимической системы величинами pH: I = pH - рН5 [4].
Для расчета рН5 И. Э. Апельцин предложил номограмму [4], в которой pH* определяется как функция температуры /1(0, содержания кальция /2(Са2+), величины щелочности ^(щ) и общего солесодержания /4(р): рН5 = /х(г) + /2(Са2+) + + /з(щ) + /*(р). При определении величины рН5 общее солесодержание «р» принимается равным величине сухого остатка, определенного химическим анализом.
Если pH > рН5, то вода склонна к выделению карбоната кальция, а при pH < рН5 вода способна растворять карбонат кальция.
Индекс Ланжелье не является объективным показателем стабильности воды, так как различные растворы, характеризующиеся одинаковым индексом Ланжелье, могут значительно отличаться по величине кислотности (щелочности). Более объективную оценку условий стабильности раствора дал в 1944 г. Ризнер. Индекс стабильности по Ризнеру определяется по формуле: Ш = 2рН5- pH. Установлено, что при
И < 7,0 воды всегда склонны к выделению кольматирующих образований [3].
Состав подземных вод исследовался по данным химических анализов, выполняемых в УП «Минскводоканал», 317 скважин 11 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 ] и Щ приведены в табл. 3.
Таблица 3
Значения параметров химического анализа воды
Параметры химического анализа воды Коли- чество наблю- дений Среднее арифме- тическое Доверительный интервал -95 % Доверительный интервал +95 % Ми- ни- мум Мак- си- мум
Бе общ., мг/л 317 0,6098 0,5088 0,7108 0,05 9,95
рн 317 7,7192 7,6943 7,7442 7Д5 8,4
Общая минерализация, мг/л 317 263,571 253,6979 273,444 104 749
Сульфаты, мг/л 317 13,8592 12,4362 15,2822 0,11 98
Са, мг/л 317 55,6621 53,7794 57,5447 8 112,2
С1, мг/л 317 13,8725 11,5071 16,2379 1,6 211,9
Окисляемость, мгОг/л 317 1,1729 1,0686 1,2772 0,3 8,4
Показатель Ризнера Ш 317 8,0532 8,0229 8,0834 7,12 8,76
Индекс Ланжелье 1 317 -0,1614 -0,1769 -0,1458 -0,65 0,39
Индекс насыщения I в изучаемой воде находится в пределах (-0,65)-(+0,39), показатель Ш 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 pH 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 pH находится в пределах 7,2 < pH < 8,5. При таких значениях pH закисное железо мигрирует в ионной форме. Поэтому кольматаж фильтров и при-фильтровых 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 pH = 6-7. Процесс кольматации фильтров соединениями железа будет идти только в окислительной обстановке при наличии в воде 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 турбули-заяии 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 0,11-98 мг/л. Это указывает на то, что вода по отношению к сульфатам является слабоагрессивной (<300 мг/л). Содержание в воде сульфатов предполагает выделение осадка на фильтрах в виде малорастворимого сульфата кальция Са804, а также при наличии сульфатредуцирующих бактерий еще и образование сульфидов железа.
Процессы химического кольматажа, происходящие в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются деятельностью железо-, марганцево- и сульфатредуцирующих бактерий. Для развития этих бактерий необходимо, чтобы величина pH находилась в пределах 5,4-7,2, содержание железа Бе2+ - 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 - ускорители коррозии вследствие разрушающего действия
хлор иона СГ 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 мг 02/л) свидетельствует о том, что в воде содержится небольшое количество органических веществ.
выводы
1. Основными причинами снижения долговечности скважин являются химический кольматаж и пескование скважин.
2. Эффективный способ борьбы с химическим кольматажем - сооружение скважин с высокими первоначальными удельными дебитами.
3. Основными средствами борьбы с пескова-нием скважин являются гравийная обсыпка фильтров соответствующих толщины и гранулометрического состава, а также соблюдение режима эксплуатации скважин.
4. Основным кольматирующим соединением фильтров и прифильтровых зон являются гидроксид трехвалентного железа Ре(ОН)3 и другие железосодержащие соединения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Станкевич Р. А. Минское месторождение глубоких артезианских вод: Краткий очерк природных условий и истории освоения. - Мн.: Беларуская навука, 1997. -87 с.
2. Квашнин Г. П., Деревянных А. И. Водозаборные скважины с гравийными фильтрами. - М.: Недра, 1981. — 216 с.
3. Гаврил ко В. М., Алексеев В. С. Фильтры буровых скважин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1976. -345 с.
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. - 2004. - № 1. - С. 81-88.
