CC BY
77
-------------------------------------- © А.А. Кожевников, А.К. Судаков,
2011
УДК 622. 233:551.49
А.А. Кожевников, А.К. Судаков
О ВЫБОРЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ БУРОВЫХ СКВАЖИН ГРАВИЙНЫМИ ФИЛЬТРАМИ
Проведен анализ недостатков существующих и рассмотрена возможность применения новой нетрадиционной технологии оборудования гидрогеологических скважин гравийными фильтрами.
Ключевые слова: мегаполис, загрязнение воды, питьевая вода, пылеватый песок, фильтр, водоснабжение.
~ЖЪ мегаполисах в связи со сложил-# ной экологической ситуацией, обусловленной химическим и радиационным загрязнением питьевых вод, изношенностью оборудования водозаборов, водопроводов существует необходимость водоснабжения населения экологически чистой питьевой водой. В центральных, южных регионах России, Украины и других стран существует значительный дефицит питьевых вод. В южных регионах Украины частично или полностью привозную питьевую воду используют около 500 населенных пунктов. Решение этой проблемы возможно за счет бурения гидрогеологических скважин для бюветного водоснабжения.
Качество сооружаемых скважин, их эксплуатационные характеристики во многом определяются комплексом работ, проведенных на заключительном этапе строительства, которые включают вскрытие водоносного горизонта, оборудование фильтром и освоение водоносного горизонта.
Особенную сложность представляют вопросы, связанные с вскрытием и оборудованием гравийными фильтрами водоприемной части скважины, в которых
водоносные горизонты представлены среднезернистыми, мелкозернистыми, тонкозернистыми и пылеватыми песками.
Улучшением качества гравийных обсыпок занимались многие ученые. На сегодняшний день не существует надежной технологии создания гравийного фильтра с качественной гравийной обсыпкой. Технологии их создания имеют ряд недостатков:
• значительные расходы времени на транспортировку гравийного материала с дневной поверхности в зону водоносного горизонта;
• качественное формирование гравийной обсыпки требует сложного поверхностного и забойного оборудования и инструмента, которые увеличивают стоимость работ;
• расслоение гравийного материала по размеру как по высоте, так и по диаметру создаваемой гравийной обсыпки;
• зависание гравийного материала при транспортировке с образованием пробок, которые требуют дополнительных расходов времени на их ликвидацию;
• образование зияющих пустот в гравийной обсыпке в зоне водоносного го-
ризонта, что влечет за собой пескование скважины.
Применение блочных и кожуховых фильтров также имеет ряд существенных недостатков. Кожуховые фильтры имеют повышенное гидравлическое сопротивление. В процессе эксплуатации кожуховые фильтры из-за электрохимической реакции склонны к быстрому зарастанию. В процессе спуска они деформируются, что приводит к образованию неравномерного по толщине гравийного слоя и формированию открытых каналов и пустот.
В последнее время гидрогеологические скважины, которые предназначены для бюветного водоснабжения населения оборудуются блочными фильтрами. Блочным фильтрам нежелательны ударные нагрузки, которые вызывают разрушение структуры блоков (рис. 1). Кроме этого, блочные фильтры имеют меньшую проницаемость (рис. 2) и большие гидравлические сопротивления. Эффективная пористость гравийного слоя уменьшается за счет или полного перекрытия целого ряда фильтрационных каналов клеем, или их сужения. Кроме того, в блочных фильтрах в качестве вяжущего материала используются клеи, которые не отвечают требованиям санитарных норм и правил для скважин питьевого водоснабжения.
На кафедре техники разведки месторождений полезных ископаемых Национального горного университета (НГУ) разработан ряд технологий оборудования водоносных горизонтов гидрогеологических, геотехнологических скважин и ряд конструкций гравийных фильтров, сооружаемых на дневной поверхности с последующей доставкой и установкой в водоносном горизонте. Одной из них является технология оборудования продуктивных горизонтов буровых скважин криогенно-гравийными фильтрами.
Целью данной статьи является рассмотрение вопросов, связанных с возможностью оборудования криогенногравийными фильтрами конструкции НГУ гидрогеологических и геотехноло-гических скважин, продуктивные горизонты которых представлены среднезернистыми, мелкозернистыми, тонкозернистыми и пылеватыми песками.
В основу выполняемых работ положена идея, изложенная в начале 60-х годов прошлого столетия в книге В.М. Гаврилко [1]. В ней предложено в зимних условиях монолитные гравийные фильтры блочного типа цементировать водой способом замораживания. В современных условиях изготовление гравийных фильтров блочной конструкции по криогенной технологии с использованием холодильной техники возможно осуществлять круглогодично.
Глубины залегания, мощности водоносных горизонтов, а также распределение подземных вод на территории Украины обусловлены геологическим строением и историей естественного развития разных ее частей. Они представляют собой обособленные гидрогеологические регионы, отличные друг от друга по возрасту, составу и условиям залегания слагающих их образований и совокупности основных природных факторов, которые определяют закономерности формирования, распределения, состав и условия эксплуатации подземных вод.
Районирование подземных вод Украины, представленное ниже на рис. 3, произведено с учетом температурного фактора по данным, полученным Б.Л. Личковым, В.И. Лучицким, К.И. Маковым, О.К. Ланге, Н.И. Толстихиным и другими исследователями [2, 3].
Рис. 1. Общий вид блочного фильтра фирмы «ПРОЙССАГ изделия вода и окружающая среда» (Германия): 1 — трубчатый ПВХ каркас с щелевой перфорацией; 2 — гравийная обсыпка; 3 — трещина блочного фильтра
Рис. 2. Разрез гравийной обсыпки блочного фильтра, увеличено в 10 раз: 1 — эпоксидная смола в порах; 2 — зерна песка
Рис. 3. Сема гидрогеологического районирования территории Украины по температуре пластовых вод: А — гидрогеологическая область трещинных вод Украинского кристаллического массива; Б — Днепровско-Донецкий артезианский бассейн; В — Волыно-Подольский артезианский бассейн; Г — Причерноморский артезианский бассейн; Д — Донецкая гидрогеологическая складчатая область; Е — Карпатская гидрогеологическая складчатая область; Ж — бассейн трещинных вод горного Крыма
Предпосылками применения криогенной технологии создания гравийных фильтров и оборудования ими водоносных горизонтов является то, что температура пластовых вод при глубинах скважин до 250 м независимо от времени года не превышает +200С. В виду этого дальнейшая разработка параметров конструкции, технологии изготовления и оборудования буровых скважин криогенно-гравийными
фильтрами ведется и будет вестись исходя из этих соображений.
Исследования проведенные на кафедре техники разведки месторождений полезных ископаемых Национального горного университета показали, что использование воды в качестве вяжущего вещества гравийного материала по криогенно технологии в скважинных условиях невозможно. Блочный фильтры, изготавливаемые на дневной поверхности, имеют пористость, не превышающую 30 %, а так как гравийный материал фильтра имеет низкое значение удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности, то композит блочного фильтра при незначительных положительных температурах достаточно быстро растепляется. В скважинных условиях процесс растепления интенсифицируется за счет наложения эрозионного воздействия воды, которое усиливается теплообменными процессами на границе раздела фаз. При этом в стендовых условиях образцы криогенногравийного фильтра разрушаются на 70—80 % при первых метрах его транспортировки по стволу скважины. Попытка устранения данного недостатка за счет обработки как вяжущего, так и композита физическими полями не увенчалась успехом. Кроме того, в предлагаемом [1] фильтре ничтожно мала водоприемная поверхность. Она рав-
на площади внутреннего поперечного сечения эксплуатационной колонны.
Учитывая вышеприведенные недостатки, которые присущи технологиям оборудования водоносных горизонтов гравийными фильтрами, а также исходя из технологических соображений, изготовление блочного элемента гравийной обсыпки фильтра с соединением гравийного материала в монолит может быть осуществлено при помощи модифицированного минераловяжущего вещества на водной основе. На кафедре техники разведки месторождений полезных ископаемых Национального горного университета в этом направлении ведутся научно-исследовательские работы. Получены положительные результаты, которые представляют «НОУ-ХАУ».
В общем виде технология оборудования водоносных горизонтов криогенно-гравийными фильтрами [4], включает следующие технологические операции: изготовление криогенно-
гравийного фильтра (КГФ) на дневной поверхности, сборка, транспортировка КГФ по стволу скважины, посадка КГФ в водоносный горизонт и приведение его в рабочее состояние.
Областью применения предлагаемой технологии является оборудование буровых скважин различного назначения (гидрогеологических, геотехнологиче-ских и др.) продуктивные горизонты в которых представлены среднезернистыми, мелкозернистыми, тонкозернистыми и пылеватыми песками, независимо от их мощности, глубины залегания и конечного диаметра бурения.
Выводы
Результатами применения данной технологии станет сокращение непроизводственных расходов времени и средств при улучшении качества работ и долговечности скважины, которые достигают-
ся за счет: уменьшения расхода времени на транспортировку гравийного материала к водоносному горизонту; улучшения качества формирования гравийной обсыпки без применения сложного поверхностного и забойного оборудования; устранения таких явлений, как зависание гравийного материала при транспортировке по стволу скважины, расслоение гравийного материала, образование зияющих пустот в гравийном фильтре, пескование и др. При этом скважина бу-
1. Гаврилко В.М. Фильтры водозаборных, водопонизительных и гидрогеологических скважин. — М.: Госстройиздат, 1961.
2. Гидрогеология СССР. т.5. Украинская ССР. Под ред. Ф.А. Руденко. — М.: Недра, 1971.
дет оборудоваться гравийным фильтром с заданными технологическими свойствами. Кроме этого, положительным моментом является то, что существенно уменьшается вероятность попадания в поровое пространство фильтра инородных примесей, которые попадают в фильтр до освоения скважины, от объема которых зависит гидравлическое сопротивление гравийного материала, а следовательно и себестоимость добытого куба воды.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Гидрогеология СССР. Вып. 3. Ресурсы подземных вод СССР и перспективы их использования. М.: Недра, 1977.
4. Пат. №18663и. иА, МКИ Е21 В 43/08. Гравшний фшьтр / А.А. Кожевников, А.К. Судаков (ИА). Друк. 15.11.2006, Бюл. №11,
2006 р. гагсга
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------
Кожевников А.А. — доктор технических наук, профессор кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Национального горного университета (Украина, г. Днепропетровск), е-mail:kozha@nmu.оrg.ua
Судаков А.К. — кандидат технических наук, доцент кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Национального горного университета (Украина, г. Днепропетровск), е-таіі :[email protected].
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПЕТУШКЕЕВ Борис Львович Решение трехмерной задачи газовой динамики и переноса метана в угольной шахте с использованием параллельных вычислений 01.02.05 к.ф-м.н.
