CC BY
72
УДК 628.112.4
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕКОЛЬМАТАЦИИ ФИЛЬТРОВ СКВАЖИН
Канд. техн. наук, доц. ИВАШЕЧКИНВ. В., асп. ШЕЙКО А. М, КОНДРАТОВИЧ А. Н, ГУБИН В. В.
Белорусский национальный технический университет
В Республике Беларусь насчитывается 13687 подземных источников централизованного водоснабжения и только четыре поверхностных источника, что составляет 0,03 % от числа подземных источников [1].
Основными причинами дефицита и перебоев в подаче воды являются отсутствие достаточных мощностей водозаборных сооружений и необеспечение оптимальных режимов работ систем подачи и распределения воды [2]. Поэтому проведение ремонтных мероприятий -первостепенная задача для поддержания производительности водозаборов подземных вод и снижения степени «старения» скважин [3, 4]. В данной статье рассматривается эффективность восстановления дебита скважины комбинированными методами с целью выбора оптимального способа очистки фильтра скважины и продления срока ее службы.
Как показали натурные эксперименты, комбинированное импульсно-реагентное воздействие на кольматирующие отложения является достаточно эффективным [5-7]. Применение пневмообработок в реагенте на водозаборах позволило достигнуть увеличения удельных дебитов до 70-75 % от первоначальных [3], а последовательное проведение электровзрывной и реагентной обработок увеличило удельный дебит сначала в 1,5-2,0 раза, а затем - дополнительно в 1,5 раза [9].
Интенсивность снижения производительности скважин, обработанных комбинированными методами, оказалась в 1,5-2,5 раза ниже, чем по скважинам, фильтры которых были обработаны только импульсными способами. Стабильность работы скважин после электровзрывной и реагентной обработок возросла до 18-24 месяцев [9].
Таким образом, комбинированное импульс-но-реагентное воздействие на отложения явля-
ется эффективным и экономически оправданным.
Цель данной работы заключается в том, чтобы в лабораторных условиях оценить эффективность декольматации старого скважин-ного фильтра комбинированным газоимпульс-но-реагентным воздействием и исследовать процесс этого воздействия на всех ступенях его осуществления. Для детального изучения был взят фрагмент закольматированного фильтра, извлеченного из водозаборной скважины водозабора «Неманица» г. Борисова.
В процессе эксплуатации скважины произошла значительная кольматация фильтра осадками химического происхождения. Для изучения состава отложений пробы осадка отдельно отбирались с внутренней поверхности фильтра (из перфорационных отверстий) и наружной его поверхности (проволочной обмотки). Осадок образует корку бледно-рыжего цвета на внутренней поверхности фильтра с наростами в районе перфорационных отверстий и сплошную беловатую корку на наружной поверхности. Наружная корка с частицами песка и гравия представляет собой единую с проволочной обмоткой фильтра неоднородную железобетонную конгламеративную структуру, в которой роль вяжущего играют кольматиру-ющие отложения, заполнителя - песок и гравий и арматуры - проволочная обмотка с продольными опорными стержнями. Поэтому проба с наружной поверхности содержала большое количество 8Ю2.
Сравнительный анализ полученных данных показывает, что качественный состав проб одинаков, но имеются существенные отличия по количественному составу. На наружной поверхности фильтра в кольматанте содержится значительно меньше оксидов железа, но больше оксидов кальция, магния, калия и натрия.
В то же время в кольматанте, извлеченном из перфорационных отверстий, больше содержится сульфатов, особенно сульфидов. Сказанное выше указывает на неоднородность коль-матанта по химическому составу. На внутренней поверхности фильтра доминируют карбонаты, гидроксиды, сульфаты и сульфиды железа, а на наружной поверхности - карбонаты кальция, магния, соединения калия и натрия и алюминия, входящие в состав глин.
После определения химического состава кольматанта было проведено тестирование реагентов для его растворения с обеспечением устойчивости элементов конструкций против их агрессивного воздействия. Рекомендована 20%-я соляная кислота с добавками «Дескама» в количестве 2,5 % по массе.
Принципиальная схема опытного стенда для испытания скважинных фильтров представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема опытного стенда для испытания скважинных фильтров: 1 - емкость; 2 - грузоподъемное устройство с поворотной стрелой; 3 - фрагмент фильтра; 4 - перфорированный цилиндр; 5 - подводящий патрубок; 6 - отводящий патрубок; 7 - холостой слив; 8 -мерный бак; 9 - игольчатый уровнемер; 10 - прифильт-ровой пьезометр; 11 - скважинное газодинамическое устройство
Стенд состоит из цилиндрического бака диаметром В = 0,7 м и высотой Н = 1 м, грузоподъемного устройства, наружного перфори-
рованного цилиндра диаметром В = 0,43 м, внутрь которого устанавливался фрагмент за-кольматированного скважинного фильтра диаметром В = 0,2 м (8").
Фильтр предварительно взвешивали на весах и устанавливали в центральной части бака. Затем обсыпали песком, состоящего из фракции 1-1,8 мм согласно ТУ РБ 1000 16844-241-2001. После этого проводились гидравлические испытания модельной скважины. Строились индикаторные кривые связи понижения 5 в функции притока воды Q к фильтру, т. е. 5 = ЛО). Понижение 5 рассчитывалось как разность напоров в кольцевом бьефе Н и скважине Н2, т. е. 5 = Н - Н2. Приток О определялся объемным методом. Удельный дебит q модельной скважины находили по формуле q = О/5.
Эффективность регенерации фильтра модельной скважины вычисляли как отношение удельного дебита qi после 7-й обработки к
удельному дебиту до обработки q0
Э = ^
qo'
Лабораторные исследования проводились в следующем порядке. Внутрь фильтра опускали скважинное газодинамическое устройство и производили обработку взрывами водородно-кислородной газовой смеси (ВКГС) нижней части фильтра длиной 0,5 м. Взрывы ВКГС осуществляли в режиме взрывного горения в цилиндрической взрывной камере с внутренним диаметром й = 150 мм и геометрическим объемом Ук = 3 дм . Взрывы производились полной камерой с интервалом, равным по высоте расстоянию от нижнего среза камеры до отражателя И = 0,07 м.
На первом этапе применялась взрывная камера, снабженная манжетным пакером (рис. 2а), который при взрыве автоматически отделял участок обрабатываемого фильтра. Это достигалось установкой эластичных резиновых манжет на взрывной камере и отражателе, которые при расширении и схлопывании продуктов взрыва прижимались к внутренней поверхности фильтра.
На втором этапе проводилась оценка эффективности газоимпульсной обработки при использовании пневматических пакеров, кото-
8
рые перед взрывом надувались сжатым воздухом от компрессора (рис. 2б).
На следующем этапе в фильтр заливали 120 дм3 20%-го раствора HCl с 2,5%-й добавкой кислотного чистящего средства «Дескам», что обеспечивало реагентную обработку нижней части фильтра длиной 0,5 м в режиме реагент-ной ванны в течение 16 ч.
После каждой обработки производилась оценка эффективности очистки по изменению притока воды Q в фильтр, удельного дебита q, а также посредством визуального осмотра фильтра до и после обработки и определением качества очистки путем замера площади очищенной поверхности s и сравнения ее с общей площадью очищаемой поверхности £общ, по
S
формуле n =—— • 100 %. Отдельно определя-
^общ
лись значения пвн для внутренней поверхности фильтра и пнар для наружной поверхности.
Основные результаты гидравлических исследований приведены в табл. 1. Из анализа результатов следует, что первая импульсная обработка взрывами ВКГС позволила увеличить удельный дебит модельной скважины в среднем в 2,8 раза, (удельный дебит сравнивался при равных водопонижениях S), т. е. q1 = = 2,8q0. Однако визуальный осмотр фильтра показал, что его поверхность осталась полно-
Ф-
стью покрытой кольматирующими отложениями и полученный прирост удельного дебита можно объяснить образованием мелких трещин в результате радиальных растягивающих нагрузок от взрывов ВКГС.
Давление взрыва в камере составляло рюр = = 1 МПа, что меньше по величине предела прочности кольматирующих отложений и значения второго предельного давления рп, при котором образуются сквозные трещины шириной более 0,2 мм, не обладающие эффектом «самозалечивания» при снятии нагрузок [10].
Дальнейшие опыты показали, что полученные трещины оказались недолговечными, произошли их частичное закрытие и быстрая коль-матация фильтра по свежим сколам. Это подтверждают результаты второй обработки, которая обеспечила сохранение удельного дебита только на уровне q2 = 1,4#0 (табл. 1). Третья импульсная обработка с применением пневмопакеров позволила частично вернуть удельный дебит к уровню первой обработки: q3 = 2^0. При этом по результатам внешнего осмотра качественных изменений в удалении отложений не произошло.
После реагентной обработки в режиме реа-гентной ванны в течение 16 ч удалось достигнуть значительного прироста удельного дебита: q5 = 137qo.
4
Рис. 2. Схемы пакеров: а - манжетный пакер; б - пневматический пакер; 1 - металлический хомут; 2 - резиновая манжета; 3 - уплотнительный элемент с защитной покрышкой; 4 - компрессор; 5 - шланг; 6 - взрывная камера; 7 - отражатель
Таблица 1
Результаты исследований по определению эффективности регенерации фильтра
№ опыта Условия эксперимента № измерения Приток О, 10-6 м3/с 5, м q, 10-6 м3/с Средняя эффективность Э = ^ qo Качество очистки п = ——
До декольматации. 1 5,22 0,068 76,8
1 Вес фильтра О = 56,2 2 7,87 0,112 70,26
кг 3 11,8 0,191 61,8
4 17,5 0,328 53,35
После первой серии 1 22 0,114 193,0
импульсов (8 имп.): V = 3 дм3,
2 32,6 0,188 173,4 Пвн = 5 %, пнар _ 0
2 И = 0,07 м, 3 43,0 0,294 146,3 2,8
с манжетным паке- 4 54,0 0,416 129,8
ром 5 60 0,498 120,5
После второй серии импульсов (8 имп.) че- 1 11 0,101 108,9
3 рез 5 дней после первой обработки: 2 23 0,318 72,3 1,4
V = 3 дм3, И = 0,07 м, 3 27 0,423 63,8
с манжетным паке-ром 4 30 0,52 57,7
После третьей серии
импульсов (8 имп.) через 30 дней после 1 37 0,288 128,47
4 второй обработки: 2,3 Пвн = 15 %,
V = 3 дм3, пнар = 0
И = 0,07 м, с пневматическим 2 40 0,361 110,8
пакером
После реагентной
ванны (объем - 20 % 1 590 0,052 11346
5 НС1 - 120 дм3). Обра- 137 Пвн = 75 %,
ботано 0,5 м фильтра в Пнар = 70 %
течение 16 ч. Вес филь- 2 800 0,072 11111
тра О = 54,2 кг
В то же время визуальный осмотр фильтра показал, что на внешней поверхности фильтра и каркаса с внутренней стороны осталось 2530 % отложений, которые необходимо удалять импульсной или виброимпульсной обработкой,
а
До После
Рис. 3. Фрагмент: а - внешней части фильтра до и
что доказывает необходимость их проведения на заключительном этапе восстановительных работ.
На рис. 3 представлен фрагмент внутренней и внешней частей фильтра до и после проведения регенерации.
б
проведения декольматации; б - внутренней
В Ы В О Д Ы
1. Несмотря на хорошие количественные результаты по увеличению удельного дебита модельной скважины после комбинированной обработки (д5 = 137q0), качественные показатели степени очистки каркаса фильтра и водоприемной поверхности соответственно составили 70-75 %, что указывает на необходимость проведения последующих импульсной или виброимпульсной обработок после реагентной.
2. Опыт применения газоимпульсной обработки скважинного фильтра взрывом ВКГС при давлениях рюр менее второго предельного давления рп (рюр < рп) подтвердил образование мелких трещин, которые обладают эффектом «самозалечивания».
Ширины созданных при таких давлениях взрыва ВКГС трещин оказались недостаточными для последующего внесения обратным гидропотоком относительно крупных частиц песка и расклинивания трещин с обеспечением устойчивой фильтрации воды.
3. Применение пневматического пакера подтвердило его более высокую эффективность по сравнению с манжетным пакером.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Гуринович, А. Д. Питьевое водоснабжение из подземных источников: проблемы и решения / А. Д. Гуринович. - Минск: Технопринт, 2001. - 305 с.
2. Гуринович, А. Д. Системы питьевого водоснабжения с водозаборными скважинами: планирование, проектирование, строительство и эксплуатация: монография /
A. Д. Гуринович. - Минск: УП «Технопринт», 2004. -244 с.
3. Анализ долговечности водозаборных скважин г. Минска / А. М. Шейко [и др.] // Вестник БНТУ. - 2006. -№ 1. - С. 27-32.
4. Прогноз кольматажа скважин и определение рациональных сроков их регенерации / А. М. Шейко [и др.] // Вестник Брестского государственного технического университета. Водохозяйственное строительство и теплоэнергетика. - 2006. - № 2. - С. 28-31.
5. Ивашечкин, В. В. Опыт применения комбинированных технологий восстановления дебита водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин, А. Н. Кондратович, А. М. Шейко // Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии: тез. докл. 6-й Междунар. науч.-техн. конф., Гродно, 1-2 нояб. 2005 г. / Гроднен. гос. ун-т; ред-кол.: А. И. Свириденок [и др.]. - Гродно, 2005. - С. 78-79.
6. Ивашечкин, В. В. Опыт применения импульсно-виброреагентной технологии восстановления дебита водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин, А. Н. Кондратович // Информационный бюллетень научно-производственной ассоциации «Аквабел». - 2004. - № 7. - С. 9-10.
7. Ивашечкин, В. В. Анализ эффективности восстановления дебита скважин водозаборов г. Минска /
B. В. Ивашечкин, А. М. Шейко // Энерго- и материалосбе-регающие экологически чистые технологии: тез. докл. 6-й Междунар. науч.-техн. конф., Гродно, 1-2 нояб. 2005 г. / Гроднен. гос. ун-т; редкол.: А. И. Свириденок [и др.]. -Гродно, 2005. - С. 83.
8. Башкатов, Д. Н. Специальные работы при бурении и оборудовании скважины на воду / Д. Н. Башкатов,
C. Л. Драхлис, В. В. Сафонов. - М.: Недра, 1988. - 268 с.
9. Романенко, В. А. Восстановление производительности водозаборных скважин / В. А. Романенко, Э. М. Воль-ницкая. - Л.: Недра, 1986. - 112 с.
10. Ивашечкин, В. В. Основы расчета необходимого давления для декольматации прифильтровой зоны водозаборной скважины / В. В. Ивашечкин // Вестник БНТУ. -2003. - № 5. - С. 10-16.
Поступила 10.01.2007
