CC BY
38
г и д р о э н е р г е т и к а
УДК 628.112
МЕТОДИКА РАСЧЕТА УДЕЛЬНЫХ ЗАТРАТ
КИСЛОТНЫХ РЕАГЕНТОВ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН
Канд. техн. наук, доц. ИВАШЕЧКИН В. В., инженеры МАКАРОВА Э. А., КОНДРАТОВИЧ А. Н.
Белорусский национальный технический университет
Комбинированное импульсно-реагентное воздействие на кольматиру-ющие отложения - наиболее эффективная технология восстановления дебита водозаборных скважин [1, 2]. Опыт подбора реагентов показывает, что универсальным средством для растворения многокомпонентных коль-матантов, характерных для зоны активного водообмена Республики Беларусь, является соляная кислота [2].
Количество соляной кислоты, заливаемой в скважину, оценивается по формуле [1]
Мнс1 = 1,2км (1)
где Мнс1, Мк - массы соответственно соляной кислоты (в пересчете на хлористый водород 100%-й концентрации) и кольматанта; Кс - коэффициент стехиометрии реакции.
Коэффициент стехиометрии Кс характеризует удельные затраты реагента на растворение кольматанта единичной массы и представляет собой соотношение количеств вступающих в реакцию кольматанта и реагента
(2)
где тнс1 - масса хлористого водорода (100%-й концентрации), необходимого для растворения кольматанта единичной массы тк.
При ошибочно заниженной величине Кс кислоты может не хватить, что приведет к выпадению из раствора хлопьев сернокислого железа БеСЬ и вызовет вторичную кольматацию пород прифильтровой зоны. При ошибочно завышенной величине Кс возрастет расход кислоты. Это приведет
тк
к удорожанию восстановительных работ как по затратам на материалы, так и по затратам на откачку после реакции.
Коэффициент Кс ввиду сложного состава кольматанта определяют лабораторным путем по фактическим затратам реагента на растворение проб кольматирующих отложений, взятых из фильтра и прифильтровой зоны скважины.
Однако при отсутствии проб и технической возможности проведения таких исследований, а также при предварительном расчете величины Кс на стадии планирования восстановительных работ возникает необходимость в определении этого коэффициента по имеющимся данным о химическом составе кольматанта. Определив величину Кс теоретически, можно вычислить по (1) потребное количество реагента для обработок и сметную стоимость восстановительных работ.
Цель работы - разработка методики теоретического расчета коэффициента стехиометрии Кс по известному химическому составу кольматанта и экспериментальная проверка полученного результата.
В работе использовали кольматанты ряда скважин Минских водозаборов, каптирующих днепровско-сожский водоносный горизонт. Скважины глубиной 50-70 м были оснащены проволочными фильтрами диаметром 325 мм и длиной 15-20 м. Срок эксплуатации скважин составляет 15-30 лет. Образцы кольматанта отбирали в специальную ловушку при газоимпульсной обработке фильтра. Химический состав определяли в лаборатории ПО «Белгеология» (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав кольматантов
а £ £ 18 о 5 Содержание по весу, %
н л Я н <Ц О 2 * бЮ2 ТЮ2 А12О3 РеА МпО СаО MgO К2О Ыа2О Р2О5 БО3 ШШ* БеО
Скв. № 29б «Дражня» 4,92 <0,01 0,29 63,89 0,92 7,72 <0,2 0,03 0,15 7,63 0,24 14,71 0,36
Скв. № 28б «Новинки» 7,72 0,01 0,57 68,73 1,5 3,86 0,56 0,1 0,15 2,88 0,2 14,22 0,84
Скв. № 5б «Боровляны» 4,55 <0,01 0,31 70 5 3,47 <0,02 0,1 0,21 1,12 0,34 15,37 0,78
Скв. № 18 «Зеленовка» 3,93 0,02 0,43 79,5 0,40 0,37 <0,8 0,12 0,20 0,2 0,25 13,21 0,53
* ППП - потери при прокаливании.
В табл. 1 результаты химического анализа представлены в виде оксидов основных элементов, хотя кольматант представляет собой многокомпонентную систему, включающую в себя соли кальция, магния, марганца (карбонаты), соединения железа в виде гидроксида, оксида, сульфида, фосфата. Например, содержание Fe2Ö3 в анализе дает количественную характеристику суммы всех железосодержащих соединений: Fe(OH)3, Fe2O3, FeP04, FeS, а процент СаО, MnO, MgO - карбонатов: СаС03, МпС03, MgC03. Потери при прокаливании (900 °С) характеризуют то количество веществ, которое удаляется при разложении карбонатов - углекислый газ СО2 и прокаливании гидроксида железа - пары воды H2O согласно реакциям:
СаС03 Прокал- >СаО + С02 Т; (3)
MgC03 прокал. )MgQ + С02 ^. (4)
МПС03 Прокал. )MnQ + ш^ (5)
2Fe(OH)3 прокал. )Гб20з + ЗН20| (6)
Необходимо отметить относительно высокое содержание в кольматанте SiO2, обусловленное включениями частиц песка и глины, которые не взаимодействуют с кислотой HCl и будут находиться в откачиваемой жидкости в виде шлама.
Рассчитаем теоретически затраты соляной кислоты 100%-й концентрации на растворение 100 кг кольматанта известного химического состава (в дальнейшем - удельная масса кислоты). Все количественные расчеты произведем на 100 кг кольматанта, т. е. при тк = 100 кг. Введем обозначение МВ - молекулярный вес.
1. Будем исходить из того, что полная потребная масса соляной кислоты mHCl равна массе кислоты т HCl, пошедшей на растворение карбонатсо-держащего кольматанта, плюс масса кислоты m"HCl, пошедшей на растворение железосодержащего кольматанта:
тна = m hci + mVl. (7)
2. Определяем массу карбонатсодержащего кольматанта mкар в 100 кг кольматанта и величину m 'HCl
2.1. Разложение карбонатов при прокаливании представим уравнениями реакций (3)-(5). Согласно (3) и зная процентное содержание оксидов кальция СаО в кольматанте, которое численно равно массе СаО в 100 кг кольматанта - mCao, находим массу карбоната кальция mCaCO по формуле
^Са0МВСаС03
МВсаО
(8)
Аналогично (8) определяем массы карбонатов магния MgСO3 и марганца МпС03 и суммарное значение карбонатов ткар
"'кар = тСяСОъ + тЪ^СОг + ^МпСОз • (9)
Массу выделившегося углекислого газа т(1)со при разложении СаСО3 по (3) вычислим следующим образом:
mCaCO
^Са0МВсо
М<'>». = <10)
Аналогично (10) определим массу углекислого газа т(2)со2, выделяющегося при разложении карбоната магния, и массу углекислого газа т(зу^о2, выделяющегося при разложении карбоната марганца согласно (4),
(5), а также суммарную массу углекислого газа тсс,2
тС02 ~ т(1)С02 + т(2)С02 + т(3)С02 ■ ( ' ' )
2.2. Реакция взаимодействия карбонатов с соляной кислотой происходит согласно уравнениям:
СаС03 + 2НС1 —> СаС12 + С02Т +Н20; (12)
МёС03 + 2НС1 МёС12 + С02 Т +Н20; (13)
МпС03 + 2НС1 МпС12 + С02 Т +Н20. (14)
По (12) вычисляем массу хлорида кальция т^а с учетом ранее найденного значения т по формуле
СзСОэ СэС1п /1 —\
тСаС1 =-- • (I5)
2 мвСаСОз ' '
Аналогично (13), (14) находим массы т^с12 и т^с12 и общую массу хлоридов «хл
'»*, = ™СаС12 + тМпа2 + тМеа2 ■ (16)
Рассчитываем расход кислоты т'(щС1 для получения хлоридов кальция массой т с учетом уравнения реакции (1 2)
™СаС122МВНС1
-• (17)
МВСаС12
Аналогично (17) находим потребные массы кислоты т'(2)НС1 и т'(3)НС1 для растворения карбоната магния массой т и карбоната марганца
массой согласно (13), (14) и суммарное количество кислоты т'НС1
для растворения карбонатов
тНС1 ~ т(Н)С1 + т(2)НС1 + т(3)НС1 ■ (18)
3. Определяем массу железосодержащего кольматанта тжк и потребное количество соляной кислоты тдС1 для его растворения.
3.1. Разложение гидроксида железа Бе(ОН)3 при прокаливании представляем уравнением (6). Масса воды т , пошедшей на испарение,
определяется как разность между значениями массы потерь при прокаливании - тППП (табл. 1) и массы найденного ранее углекислого газа
т
со.
2
тн2о=тппп-тсо2- (19)
Используя (18), с учетом (19) сначала определяем массу гидроксида железа тРе(он) 3, а затем - соответствующую ему по (18) массу оксида железа т 'ож:
«Ч02МВРе(0Н)3
Ш — -----— •
ре(он)з ЗМВН 0 '
, гаРе(ОН)зМВРе2Оз
тож =--—--
2МВРе(0Н)з
Зная по химическому анализу (табл. 1) общее содержание оксидов железа £тож (численно равное процентному содержанию Бе203 в табл. 1), вычитаем из него найденную массу т'ож и получаем массу оксидов железа т"ож, соответствующих оксидам железосоставляющих соединений кольма-танта (Ре203, РеР04, БеЗ):
т" —ут—т. (21)
ож ^ ож ож
3.2. По данным химического анализа кольматанта и найденному значению т"ж рассчитываем массы химических элементов: т¥е ^ ; ; т^2+;
тР в 100 кг кольматанта.
Величину тРе б находим по формуле
*СмвРег
т¥е =--. (22)
общ мвРеЛ
Массу ^Ре2+ вычисляем следующим образом:
(23)
Ре МВреО
где тРе0 - масса БеО в 100 кг кольматанта, численно равная содержанию БеО в пробе (табл. 1).
Массу фосфора тР находим аналогично
т-р 0 МВР
= -Ъ. (24)
Р мвР205
где т2о5 - масса Р2О5 в 100 кг кольматанта, численно равная содержанию Р2О5 в пробе (табл. 1).
Масса т 3+ составляет
Бе
(25)
3.3. Рассчитываем массу сульфида железа тРе8 в 100 кг кольматанта с учетом (23)
МВРе
Масса фосфата железа wFePO в 100 кг кольматанта с учетом (24) будет
mFePO =--. (27)
FeP°4 МВР
Масса трехвалентного железа п/^ в данной массе фосфата железа
^„рп составляет
, mF MBFe
= -• (28)
MB,
FePO4
Массу трехвалентного железа т"^ в дегидратированной массе железо-составляющих соединений кольматанта определяем по формуле
<з+=«iFe3+-<з+. (29)
Тогда масса трехвалентного железа Ще0 в 100 кг кольматанта равна
<ез+МВре203
«FeO =—-—• (30)
Рб2°3 MBFe
3.4. Определяем общую массу железосоставляющих соединений кольматанта тжк
тжк ~ т¥е(ОЩ + mFeS + ЩеР04 + Ш¥е20} ■
(31)
Эти соединения реагируют с соляной кислотой согласно следующим уравнениям:
Fe(OH)3 + ЗНС1 -> FeCl3 + 3H20; (32)
Fe203 + 6НС1 2FeCl3 + 3H20; (33)
FeP04 + ЗНС1 -> FeCl3 + Н3Р04; (34)
FeS + 2НС1 —» FeCl2 + H2S T. (35)
В соответствии с (32) и ранее определенным значением ^Fe(0H)3 находим массу хлорида железа ^FeCli и потребное количество соляной кислоты №
(1)НС1 •
лз
№
т,
_ «%e(OH)3MBFeCl3 . mFeCl, "
т(\)ис\
MBFe(OH)3
(36)
«FeCl, ЗМВНС1
MBFe(OH)3
Аналогично, используя (33)-(35) и зная массы тРе о ; т¥еРО ; mFeS, находим соответствующие им потребные массы соляной кислоты т"2)1 |г|.
т(з)на и т(4)нс1-
4
Полную массу солей тсол определяем как сумму образующихся хлоридов железа 2>иРеС1 , т\ сС\ и массу слабодиссоциированной ортофосфор-
нои кислоты m
HPO,
'«сол = 2^тРеС1з +"%еС12 + "%3Р04 ■
(37)
Потребное количество соляноИ кислоты для растворения железосодержащего кольматанта составит
ff _ ff ff ff ff
тна ~ m(i)nci + m(2)nci + т(з)hci + m(4)ïia ■ w
По (7) рассчитываем полную массу соляноИ кислоты mHCi, необходимую для растворения 100 кг кольматанта.
Определяем теоретическую величину коэффициента стехиометрии К.теор по формуле
К
100
(39)
К
Находим теоретическую величину коэффициента образования солей как отношение полной массы образовавшихся солей тсол к 100 кг
(40)
сол.теор
кольматанта
К
сол.теор
_^сол 100
Таблица 2
Теоретические значения Кс
кольматантов скважин
с.теор и Ксол.теор
Место отбора кольматанта Кс.теор Ксол.теор
Скв. № 18 «Зеленовка» 1,109 1,636
Скв. № 29б «Дражня» 0,984 1,51
Скв. № 28б «Новинки» 1,01 1,51
Скв. № 5б «Боровляны» 1,058 1,59
В табл. 2 представлены значения коэффициентов Кстеор и
Ксол.теор для приведенных в табл.
1 химических составов кольма-тантов.
Для сравнения теоретических значений коэффициентов Кс с экспериментальными данными производились лабораторные исследования по растворению коль-матанта скважины № 18 «Зеле-
новка» по следующей методике. Мелкоизмельченный воздушно-сухой кольматант взвешивался на электронных весах с точностью до 0,001 г и помещался в раствор соляной кислоты плотностью р = 1,164 г/см3 массовой концентрацией 33 %.
Объем реагента в опытах был постоянен и составлял 12 мл, что соответствовало тНс1 = 4,609 г. Массу кольматанта брали с избытком, чтобы вся кислота прореагировала без остатка. С этой целью опыт проводился в течение пяти суток, отсутствие остаточной кислоты контролировалось по рН раствора в конце опыта.
После реакции продукты реакции разбавляли в 20-30 раз водой и фильтровали через предварительно взвешенный бумажный фильтр: фильтрат отбрасывали, твердую массу высушивали на воздухе до постоянного веса, взвешивали.
Масса кольматанта тк, пошедшая на реакцию, определялась с помощью выражения
_ '"HCl
где т , т - массы кольматанта соответственно до и после реакции.
(41)
после реакции. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты лабораторных опытов
№ опыта Масса соляной кислоты тНС1, г Масса кольматанта, г
До реакции т^ После реакции тК2 Вступившего в реакцию тк к _тНС1 тк
1 4,609 6,039 1,932 4,107 1,122
2 5,932 1,776 4,156 1,109
3 5,768 1,696 4,072 1,132
4 5,133 1,209 3,924 1,175
5 7,144 3,013 4,131 1,116
6 6,291 2,210 4,081 1,129
7 5,654 1,719 3,935 1,171
8 6,018 1,988 4,030 1,144
Кс.ср = 1,137
Степень совпадения вычисленного (Кс = 1,109) и экспериментального (Кс = 1,137) значений коэффициента стехиометрии реакции растворения кольматанта характеризуется величиной относительного отклонения, равной 2,7 %, что не превышает допустимое значение для инженерных исследований (5 %).
В Ы В О Д Ы
1. Составлены уравнения химических реакций взаимодействия компонентов кольматирующих отложений с соляной кислотой.
2. На основе учета баланса веществ, вступающих в реакции, и имеющихся данных о процентном содержании компонентов в кольматанте единичной массы получены теоретические зависимости для расчета удельных затрат соляной кислоты на растворение кольматанта.
3. Проведены лабораторные эксперименты по растворению отложений скважины № 18 «Зеленовка», выполнено сравнение опытных и расчетных данных, относительное отклонение не превысило 3 %.
4. Полученная методика расчета удельных затрат реагента позволяет рассчитать его полный расход на скважину при планировании ее текущего ремонта.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Г а в р и л к о, В. М. Фильтры буровых скважин / В. М. Гаврилко, В. С. Алексеев. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1985. - 334 с.
2. И в а ш е ч к и н, В. В. Газоимпульсная технология восстановления пропускной способности фильтров водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин. - Минск: БНТУ, 2005. -270 с.
Представлена кафедрой гидравлики Поступила 28.12.2006
