CC BY
246
ЭКОЛОГИЯ
УДК 556.3:626.8 (571.15) С.В. Макарычев,
А.А. Томаровский, О.С. Борзилов
ПРИЧИНЫ СНИЖЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН
Ключевые слова: водозаборная скважина, дебит, фильтр, прифильтровая зона, механическая, химическая и биологическая кольматация, восстановление дебита.
Введение
Для хозяйственно-питьевого водоснабжения и орошения сельских районов Алтайского края в основном используются подземные воды. По данным ОАО «Алтайская гидрогеологическая экспедиция» на балансе водопользователей в настоящее время находится более 4 тысяч разведочноэксплуатационных скважин [1]. При этом значительная часть из них функционирует неэффективно со сниженными дебитами и высокими энергозатратами на подъем воды. Ситуация осложняется тем, что эксплуатируемые и вновь сооружаемые скважины имеют недостаточно ремонтопригодные конструкции, поэтому фактический срок службы большинства скважин не превышает 16-19 лет, что существенно ниже их расчетного срока эксплуатации. Недопустимо снизившие дебит скважины тампонируют и перебуривают, что требует привлечения значительных финансовых средств. Большое количество водозаборов остаются безхоз-ными и становятся потенциальными источниками загрязнения подземных вод. В условиях роста цен на строительство и эксплуатацию скважин проблема поддержания их начальной производительности в процессе многолетней эксплуатации остается нерешенной и представляет собой актуальную научно-практическую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.
Целевым назначением работ является информационное обеспечение рационального и безопасного использования недр территории Алтайского края на основе изучения состояния водозаборов подземных вод.
Задачи исследований:
— обследование водозаборов подземных вод;
— анализ проектной и фактической производительности действующих эксплуатационных скважин;
— анализ причин снижения дебита скважин и преждевременного выхода их из строя;
— разработка рекомендаций по восстановлению производительности водозаборов подземных вод.
Объекты и методы
Подземные воды являются практически единственным источником водообеспечения большей части населенных пунктов и сельхозпредприятий в Алтайском крае. Наиболее распространенным водозаборным сооружением для добычи подземной воды являются буровые скважины. Так, в настоящее время эксплуатируются 4412 водозаборов подземных вод, учтенных по форме 2-ТП (водхоз) (табл. 1).
Кроме того, более 2000 скважин являются брошенными из-за снижения дебита скважин и выхода из строя водоподъемного оборудования. В связи с чем все более актуальными становятся задачи поддержания стабильного режима работы скважинных водозаборов, удлинения срока их эксплуатации, обеспечения высокого качества подаваемой воды, а также снижения степени загрязнения окружающей среды, сопутствующего эксплуатации скважин. Научноисследовательские работыпо изучению современного технического состояния эксплуатационных скважин были проведены на территории Благовещенского, Табунского, Ключевского и Кулундинского районов.
Таблица 1
Данные о количестве водозаборов подземных вод [4]
№ п/п Показатели Количество
1 Количество водозаборов 4412
2 Количество водозаборов на участках с неразведанными запасами:
одиночных 1865
групповых 2547
3 Количество водозаборов на участках с разведанными запасами:
одиночных 189
групповых 1210
4 Количество водопользователей 1437
В процессе исследований применялись комплексные методики, включающие рекогносцировочное обследование скважин, изучение и анализ гидрогеологических и гидрогеохимических условий месторождений подземных вод, аналитический аппарат для оценки гидродинамических показателей скважин, анализ научно-технической литературы по опыту восстановления производительности водозаборов подземных вод.
Результаты исследований
Изменение производительности водозаборов в общем случае определяется изменением граничных условий водоносного пласта, истощением запасов подземных вод, кольматажем водоприемных частей водозаборных скважин. Уменьшение дебита водозаборных скважин, изменение соотношения отбираемых расходов во взаимодействующих скважинах и колодцах обусловливают необходимость корректировки проектных данных в течение периода эксплуатации вследствие несоответствия характеристик насосов, заложенных в проекте, изменившимся дебитам и понижениям уровня в скважинах [2].
В результате рекогносцировочного обследования водозаборов было установлено следующее:
- на эксплуатационных скважинах часто отсутствуетконтрольно-измерительная аппаратура, приспособления для замерадинами-ческого уровня воды и объема водоотбора;
- в связи с отсутствием напорно-регули-рующих емкостей с достаточнымзапасным объемом и перебоями в снабжении элек-троэнергиейнеизбежны остановки в работе водозаборных скважин.
- в зоне влияния водозаборов нет наблюдательной сети для изучения формирования депрессионной воронки в процессе эксплуатации подземных вод.
Отмеченные недостатки затрудняют выбор и контроль правильного режима эксплуатации водозабора, определение причин снижения производительности скважин и преждевременного выхода их из строя, а также сдер-
живают накопление опыта эксплуатации водозаборов на базе подземных вод.
Однако многолетний опыт эксплуатации водозаборов подземных вод показывает, что одной из причин снижения дебита могут быть различные виды кольматажа фильтров и прифильтровых зон скважин.
Фильтр является наиболее ответственной частью водозаборной скважины. Он предназначен для предохранения ствола скважины от обрушения и пропуска воды из водоносного пласта с наименьшим гидравлическим сопротивлением. На подземных водозаборах Кулундинской степи используются фильтры на перфорированном трубчатом каркасе с проволочной или сетчатой обмоткой с применением и без применения гравийной об-сыпки.Гравийная обсыпка используется в качестве водоприемной части фильтра при разнозернистых песчаных отложениях водоносного горизонта или сложном переслаивании песков разной крупности.
Различают три вида кольматации: механическую, химическую, биологическую [3]. Механическая кольматация наблюдается в сетчатых, проволочных и щелевых фильтрах вследствие несоответствия проходных отверстий фильтров гранулометрическому составу водовмещающих пород. В результате механической кольматации водоприемные отверстия фильтров заклиниваются или перекрываются песком, глиной, гравием, в связи с чем удельный дебит скважин снижается на 20-30%.
К механической кольматации можно отнести глинизацию фильтра и прифильтровой зоны при роторном бурении скважин с промывкой глинистым раствором, когда на стенке скважины образуется плотная глинистая корка толщиной 3-6 мм, ограничивающая поступление глинистого материала и шлама в пласт. С течением времени глинистая корка уплотняется за счет усиления адсорбционных и молекулярных связей между глинистыми частицами, и ее удаление представляет значительную сложность. Поэтому необходимо стремиться к сокращению времени контакта глинистого раствора с водовмещающими породами, т.е. к оператив-
ному выполнению работ по вскрытию пласта, полному удалению бурового шлама и глинистого раствора и оборудованию скважины фильтром.
Анализ эксплуатации водозаборных скважин показывает, что их производительность и дренирующая способность также существенно снижаются во времени вследствие зарастания фильтров и прифильтровых зон скважин различными химическими соединениями. Эти соединения образуются в результате нарушения химического равновесия в пласте, связанного с действием в нем гидродинамического возмущения. Нарушение химического равновесия обуславливается смещением наиболее динамического газового равновесия, выражающегося в гидролизе бикарбоната железа, окислении закисного железа до трехвалентной формы и избыточном образовании карбонат — ионов с одновременным увеличением рН при удалении свободной углекислоты [3].
В результате нарушения химического равновесия в прифильтровой зоне за счет понижения давления происходит десорбция свободной углекислоты из подземных вод. При этом интенсифицируется гидролиз бикарбоната железа, в результате чего Fe2+ окисляется до Fe3+ с образованием гидроксида трехвалентного железа Fe(ОН)3, основного кольматирующего соединения.
Процессы химического кольматажа, происходящие в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются биологической деятельностью. Биологическая кольмата-ция обусловлена жизнедеятельностью микроорганизмов. Наиболее активно бактерии размножаются у фильтров, где в основном скапливаются осадки, образовавшиеся под действием химических и электрохимических процессов. В результате жизнедеятельности железобактерий выделяется гидрат окиси железа, что способствует переводу закиси железа в нерастворимую окись, осаждающуюся на рабочей поверхности фильтров, внутренних стенках ствола скважин и насосном оборудовании. Присутствующие в подземных водах марганцевые бактерии используют энергию окисления закисных соединений и переводят их в малорастворимые окисные соединения. Интенсивная биологическая кольматация характерна для подземных вод с содержанием кислорода 5 мг/дм3 и более, находящихся в первых от поверхности земли водоносных горизонтах.
Методы декольматации скважинных фильтров различают по характеру воздействия на кольматирующие образования. Очистка фильтров может осуществляться растворением кольматанта различными химическими веществами (реагентный метод) либо его разрушением физико-механи-
ческим воздействием (механические и импульсные методы). В некоторых случаях для достижения необходимого эффекта названные методы комбинируются.
Реагенты, используемые для регенерации скважинных фильтров, различаются как по своему агрегатному состоянию (жидкие, порошкообразные и газообразные), так и по характеру взаимодействия с веществами кольматанта (нейтрализаторы, восстановители и комплексообразователи). Наиболее широкое распространение получили так называемые реагенты-нейтрализаторы. Механизм взаимодействия таких химикатов с кольма-тантом заключается в протекании реакций нейтрализации с переводом нерастворимых гидроксидов и карбонатов металлов в растворимые соли. Наиболее эффективным реагентом данной группы является соляная кислота. Высокая эффективность обработки скважины соляной кислотой связана с хорошей растворимостью в воде хлоридов, образующихся в результате взаимодействия кислоты с веществами кольматанта. Для предотвращения коррозии металлических частей скважины в ходе кислотных обработок в кислоту вводят ингибиторы катапин — А, катапин — Б, уникол и др. [3, 4].
При обработке закольматированных фильтров реагентами — восстановителями происходят реакции химического восстановления веществ кольматанта с переводом их в растворимое состояние. Например, при взаимодействии соединений трёхвалентного железа с дитионитом натрия (№^204) происходит восстановление железа до растворимых двухвалентных форм.
Процесс растворения кольматирующих соединений при их взаимодействии с реагентами — комплексообразователями заключается в образовании комплексных соединений железа и кальция, которые хорошо растворимы в воде. В качестве реаген-тов-комплексообразователей применяются триполифосфат натрия (№5Р3О10), гексаметафосфат натрия (№6Р6018) и др.
Реагент выбирают в зависимости от состава кольматанта и устойчивости конструкционных элементов скважин против агрессивного воздействия реагента (табл. 2).
Обработка водозаборных скважин реагентами может осуществляться свободным наливом растворов реагентов в скважину (метод реагентной ванны) или циклическим задавливанием реагента в скважине сжатым воздухом. Регенерация фильтров водозаборных скважин способом реагентной ванны производится при уровне залегания подземных вод более 30 м. В данном случае раствор реагента подаётся в полость фильтра и выдерживается в течение определенного времени (10-12 ч).
Таблица 2
Область применения реагентов
Характеристики обрабатываемых скважин Реагенты и их компоненты Концентрация применяемых реагентов, %
Фильтр скважины и прифильтровая обсыпка кислотоустойчивы. Кольматирующие соединения представлены Fe(OH)3; FeS; FeCO3; СаС03 HCl + Na5P3O10 N2H4 + 2HCl + Na5P3Oi0 NH3O3H + Na5P3O10 Na2S2O4 + Na5P3Oi0 NH2SO3H 20-25 + 0,5-0,8 8-10 + 0,1 5-7 + 0,1 6-8 + 1,0 7-10
Фильтр скважины и прифильтровая обсыпка устойчивы к разбавленной кислоте. Кольматирующие соединения представлены Fe(OH)3; FeS; FeCO3; СаС03 HCl + Na5P3O10 5-10 + 2,5
Фильтр и прифильтровая обсыпка неустойчивы к кислоте. Кольматирующие соединения с преобладанием Fe(OH)3 Na2S2O4 Na5P3O10 5-10 1,0
Реагентная обработка скважины с циклическим задавливанием реагента производится путем последовательного повышения и снятия давления или вакуумированием скважин с последующей разгерметизацией. При этом создаётся возвратно-поступа-тельное движение столба воды в скважине и увеличивается глубина проникновения реагента за пределы фильтра в профильтровую зону и повышается интенсивность взаимодействия реагента с кольматантами. Превышение давления над естественным пластовым при циклический реагентной обработке скважин должно составлять 0,13-0,2 МПа при продолжительности задавливания 10 мин. и снятии давления до 5 мин. Общая продолжительность реагентной обработки скважин при циклическом задавливании реагента снижается до 2 ч. Повышение давления в полости скважины создается за счет нагнетания сжатого воздуха или азота. При этом максимальное понижение уровня жидкости в скважине не должно быть более 2 м [5].
Среди импульсных методов наибольшее распространение получили взрывная, элек-трогидравлическая и пневмоимпульсная обработки [6]. Импульсные методы разглини-зации основаны на использовании энергии, выделяющейся в течение короткого времени в результате химического превращения вещества (взрыва твердых и газообразных ВВ) при выхлопе сжатого воздуха в жидкость (пневмовзрыве), при электрическом разряде в жидкости (электровзрыве), при резком изменении скорости движения жидкости (гидравлическом ударе).Механизм воздействия импульсных нагрузок на фильтр и прифильтровую зону практически не зависит от источников их создания. Под действием ударных волн, возникающих при взрывах всех видов, разрушается глинистая корка на поверхности фильтра и на стенках скважины, формируются дополнительные трещины и дренажные каналы в водоносной породе, частично разрушающейся у стенок скважины, нарушаются структурные связи между частицами глины, породой и фильт-
ром. Гидродинамические и фильтрационные потоки, образующиеся при взрывах вследствие изменения давления внутри скважины, способствуют удалению разрушенного осадка с поверхности фильтра, из пор и трещин и восстановлению водопритока.
В скважинах с пластмассовыми фильтрами из ПВХ и полиэтилена, а также в скважинах с фильтрами блочного типа импульсные методы использовать не рекомендуется.
Более высокая степень разглинизации скважин и восстановления структуры и пористости водоносной породы достигается при использовании комбинированных методов обработки скважин, сочетающих гидравлическое, импульсное или вибрационное воздействие с последующей или одновременной реагентной обработкой. Под действием гидродинамических нагрузок при различных источниках их создания водонепроницаемые структуры разрушаются, создаются дополнительные трещины и каналы, увеличивается контакт реагента с глинистыми отложениями, обеспечивается более глубокое проникновение реагента за контур фильтра за счет интенсификации массообмена между растворителем и кольматантом и лучший отвод растворенных веществ из зоны контакта. Это способствует более полному извлечению кольматирующих образований из при-фильтровой зоны скважины.
Технология этих методов восстановления производительности скважин достаточно хорошо разработана и регламентируется специальными руководствами и инструкциями [2, 4, 6].
Представленные факторы могут действовать одновременно и усиливать влияние друг друга. Снижающийся дебит и уровень воды в скважине заставляют опускать насос ниже, в водоприемную часть скважины. Такое расположение насоса усиливает вымывание частиц из горизонта. В открытом стволе в результате динамических воздействий, передаваемых от работающего насоса, и падения гидростатического давления столба жидкости увеличивается вероятность об-
рушения стенок скважины. Вывалившаяся порода препятствует свободному доступу воды в скважину.
Для выявления целесообразности восстановительных работ и периодичности их проведения на водозаборных скважинах необходимо в процессе эксплуатации выполнить опробование скважин для оценки роста их сопротивления и снижения удельной производительности в результате кольматации и сопоставления полученных текущих величин с первоначальными параметрами.
Выводы
1. К факторам, которые влияют с различной степенью интенсивности на продолжительность работы скважин, можно отнести геологическое строение, способ бурения, конструкцию скважины, конструкцию фильтра, способ установки фильтра, способы и сроки освоения скважин и режим эксплуатации.
2. При установке фильтра необходимо стремиться к уменьшению его глинизации. Для этого рекомендуется опускать фильтр с нижним открытым концом или с промывочными окнами, устанавливать выше фильтра цементный мост, разбуриваемый после установки фильтра, покрывать фильтр специальными составами, растворяемыми после спуска его в скважину.
3. Предотвратить химическую кольмата-цию скважин при использовании вод с неустойчивым химическим составом невозможно, поскольку ее причиной является нарушение естественного режима водоносного пласта. Для уменьшения интенсивности кольматации следует не допускать неравномерного режима эксплуатации скважин, из-за которого происходит аэрация подземных вод, не использовать эрлифтные подъемники, необходимо проверять работу обратных клапанов погруженных насосов,
чтобы предотвратить поступление аэрированных вод в зону фильтра. Высота столба воды от верхней секции насоса до динамического уровня воды в скважине, при которой не происходит активного аэрирования воды и интенсивного осадкообразования, не должна превышать 6-7 м.
4. Надежность эксплуатации подземного водозабора во многом зависит от качественного и полного выполнения строительной организацией всего комплекса работ, предусмотренного проектом. Обеспечению этого условия способствует технический надзор со стороны заказчика, проведение которого в период строительства обязательно.
Библиографический список
1. Государственный учет вод за 2011 год: отчет о НИР / ОАО «Алтайская гидрогеологическая экспедиция»; руководитель Епихин С.П.; исполнитель Лиходеева Е.П. — с. Боровиха, 2011. — 170 с. — Гос. рег. № 035-11-48.
2. Алексеев B.C., Гребенников В.Т. Восстановление дебита водозаборных скважин.
— М.: Агропромиздат, 1987. — 239 с.
3. Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учебное пособие / Рос. акад. естественных наук. — М.: Изд-во МГГУ, 2001. — 656 с.
4. Ивашечкин В.В., Шейко А.М., Кондратович А.Н. Регенерация скважинных и напорных фильтров систем водоснабжения / под ред. В.В. Ивашечкина. — Минск: БНТУ, 2008. — 276 с.
5. Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружениия скважин. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. — 554 с.
6. Дыбленко В.П., Камалов Р.Н., Ша-риффулин Р.Я. и др. Повышение продуктивности и реанимация скважин с применением виброволнового воздействия. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. — 381 с.
+ + +
УДК 632.752.2:633.358 Е.Ю. Мармулева,
Е.Ю. Торопова,
Н.В. Давыдова,
С.А. Неустроева
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЭНТОМОКОМПЛЕКСА КОРМОВЫХ БОБОВ В СЕВЕРНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ПРИОБЬЯ
Ключевые слова: кормовые бобы, клу- Бобы — ценная овощная, кормовая и си-
беньковые долгоносики, жужелицы, ди- деральная культура, урожайность которой в
намика популяции, погодные условия, со- северной лесостепи Приобья значительно отношение численности. ниже ее биологического потенциала [1].
