Совершенствование комбинированной технологии регенерации фильтров водозаборных скважин

ждены директором института БелНИИС 11 мая 2003 г. -Минск: БелНИИС, 2003. - С. 28.

6. Назаров, Ю. П. Автоматизированное проектирование плоских монолитных и сборно-монолитных перекрытий каркасных зданий / Ю. П. Назаров, Ю. Н. Жук, В. Н. Симбиркин // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - № 10. - С. 48-50.

7. Richart, F. E. Reinforced Concrete Wall and Column Footings / F. E. Richart: Part 1 // Jornal of the ACI. - 1948. -Oct. - Р. 97-127; Part 2 // Jornal of the ACI. - 1948. - Nov. -Р. 237-260.

8. Коршунов, А. А. О прочности железобетонной плиты в месте локального погружения / А. А. Коршунов, А. А. Барышников // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - № 10. - С. 57-59.

9. Тетиор, А. Н. Расчет на продавливание должен быть исключен из норм. Бетон на рубеже 3-го тысячелетия / А. Н. Тетиор // Материалы 1-го всероссийского конгресса по проблемам бетона и железобетона. - М.: Асс «Железобетон», 2001. - Кн. 3.

Поступила 8.08.2007

УДК 628.112

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН

Канд. техн. наук, доц. ИВАШЕЧКИНВ. В., КОНДРАТОВИЧ А. Н, асп. ШЕЙКО А. М., инж. БЕЛЯШЕВ А. В.

Белорусский национальный технический университет

Время устойчивой работы новых скважин, каптирующих воду из четвертичных отложений Республики Беларусь, составляет два-четыре года. Учитывая, что большинство скважин подземных водозаборов Республики Беларусь проработало свыше 15-20 лет, произошло существенное снижение их удельного дебита за счет накопления в прифильтровой зоне большого количества осадков. За это время осадки успевают сцементироваться, для их разрушения и растворения требуется одновременное или последовательное физико-химические воздействие [1-7]. Комбинированные обработки фильтров длительно эксплуатирующихся скважин в настоящее время наиболее актуальны, так как повышают их долговечность. В БНТУ сравнительно недавно разработана газоимпульсно-реагентно-виброволновая технология восстановления дебита [8].

Цель настоящей работы - отработка и совершенствование комбинированной технологии восстановления снизивших свой дебит скважин.

Предлагаемые технологические схемы.

В производственных условиях исследовалась эффективность двух технологических схем: 1) газоимпульсная обработка фильтра с его последующей реагентной очисткой в режиме реа-гентной ванны в негерметизированной скважине и далее - виброволновая обработка при одновременной откачке эрлифтом; 2) газоимпульсная обработка фильтра с его последующей реагентной очисткой в режиме циклического задавливания сжатым воздухом в герметизированной скважине и виброволновая обработка при одновременной откачке эрлифтом.

Основное отличие первой технологической схемы от второй заключается в проведении реагентной обработки в незагерметизированной скважине, но с использованием кислотной флейты, которая позволяет адресно обрабатывать наиболее закольматированные участки фильтра и экономить кислоту по сравнению со второй схемой обработки, при использовании которой в процессе задавливания реагента сжатым воздухом он может поглощаться наиболее

проницаемыми участками. Вторая схема требует применения более сложного технологического оборудования для герметизации скважины, однако является особенно эффективной при регенерации длительно эксплуатирующихся скважин, имеющих фильтры большого диаметра со значительным контуром гравийной обсыпки.

Для реализации второй технологической схемы разработано специальное технологическое оборудование, отличительной особенностью которого является совмещение эрлифтно-го водоподъемника с герметизированным оголовком, смонтированным на устье скважины (рис. 1). Это позволяет производить циклическое задавливание реагента в прифильтровую зону до полного растворения отложений и откачивать продукты реакции без дополнительных монтажных операций, что способствует снижению трудозатрат и повышает безопас-иость ведения работ.

Рис. 1. Схема обвязки скважины при циклической ре-агентной обработке: 1 - эрлифт; 2 - вентиль эрлифта; 3 -сбросной шланг эрлифта; 4 - емкость с кислотой; 5 - заливочный шланг; 6 - компрессор; 7 - воздухопроводная труба; 8 - воздухосбросной патрубок; 9-13 - запорно-регулирующая арматура; 14 - манометр

Испытания технологических схем. Сравнительные испытания применения двух техно-

логических схем производились на высокоде-битных скважинах водозаборов г. Минска: «Зе-леновка», «Дражня», «Новинки», «Боровляны» и г. Слонима («Рыщицы»), которые каптируют межморенный днепровско-сожский водоносный горизонт. Их глубины составляют 50-70 м, оборудованы проволочными фильтрами из нержавеющей стали на трубчатом перфорированном каркасе диаметрами 325 мм и длиной 10-20 м с гравийной обсыпкой толщиной 5 = 150-300 мм.

В качестве реагента при обработках скважин использовался реагент оптимального состава - 20%-й раствор синтетической соляной кислоты со стабилизирующей добавкой трипо-лифосфата натрия 0,01%-й концентрации и кислотного средства «Дескам» 5%-й концентрации в качестве антикоррозионной добавки [8].

Данные о скважинах и параметрах газоим-пульсно-реагентно-виброволновой декольмата-ции при использовании первой и второй технологических схем приведены в табл. 1 и 2.

Анализ применения технологических схем. Анализ эффективности обработок скважин показывает, что наибольшая степень восстановления удельного дебита (53-79 %) достигнута при использовании циклического за-давливания реагента и несколько меньшая (3069 %) - при растворении отложений методом реагентной ванны (табл. 3). Наилучшие результаты были получены на скважине № 5б. Здесь, помимо обычных замеров удельного дебита, производились геофизические исследования фильтра и прифильтровой зоны партией сква-жинных методов (РУП «Белгеология») до обработки 14.11.05 и после полного цикла работ 24.11.05, а также телеметрия камерой, принадлежащей УП «Минскводоканал».

Результаты геофизических исследований. Геофизические исследования включали в себя радиометрию посредством гамма- и гамма-гамма-каротажа (прибор КУРА 2), каверномет-рию (прибор КМ-2); расходометрию (прибор ПС-70) акустический каротаж (прибор «Па-рус-4»). Сигналы со скважинных приборов поступали в пульт управления каротажной станции, записывались самописцем на специальной бумаге и расшифровывались.

Таблица 2

Данные об условиях применения газоимпульсно-реагентно-виброволновой технологии с использованием циклического задавливания реагента

Таблица 1

Данные о скважинах и условиях проведения обработок газоимпульсно-реагентно-виброволновой технологией с использованием реагентной ванны

Номер скважины (дата работ) Месторасположение скважины (возраст, лет) Глубина, м Количество Время реа-гентной обработки, ч Продолжитель-

Длина фильтра, м импульсов (Е0 = 70 кДж), шт. Масса 35%-й НС1, кг ность виброволновой обработки, мин

№ 18 (08.03) № 28б (07.04) «Зеленовка» (17) - » - (20) - » - 78 13,5 61 19 56 76 20 22 1600 кг НС1 + 2 кг триполифосфата натрия 1500 кг НС1 + 100 кг «Дескам» 173 60

№ 19б (08.04) (29) 66,7 10,4 40 24 1536 кг НС1 + 100 кг «Дескам» 90

№ 7 (08.04) «Рыщицы» 75 20 100 24 1800 кг НС1 + 100 кг «Дескама» -

Номер скважины (дата работ) Водозабор (возраст, лет) Глубина, м Количество импульсов (Ее = 70 кДж), шт. Продолжительность газоимпульсной обработки, ч Характеристика цикла Количество циклов, шт. Общая продолжительность реагент-ной обработки, ч Масса 35%-й НС1, кг Продолжительность виброволновой обработки, ч

Длина фильтра, м Задав-ливание, мин Сброс давления, мин

№ 0б (12.04) «Дражня» (13) 74,8 20,7 80 6 15 15 4 20 1777 кг НС1 + + 200 кг «Дескам»

№ 29б (08.05) «Дражня» (29) 70 12 72 9 8 10 5 24 1885 кг НС1 + + 86 кг «Дескам» 2

№ 28б (08.05) «Новинки» (18) 55 18 90 10 8 8 7 20 1800 кг НС1 + + 100 кг «Дескам» 2

№ 5б (11.05) «Боровляны» (27) 55 12 60 10 8 8 8 24 1600 кг НС1 + + 100 кг «Дескам» 0,5

Результаты геофизических исследований представлены в виде соответствующих диаграмм на рис. 2. Сравнительный анализ диаграмм до и после восстановительных работ показал следующее.

Расходометрия. До обработки, по данным расходометрии, фильтр работал в интервале 43-50 м. Причем большая часть притока (77 %) имела место в верхней части фильтра на участке длиной 2,7 м (в интервале 43,0-45,7 м). Максимальный приток воды из фильтра при загрузке эрлифта до его верха составил 18 м3/ч. Удельный дебит скважины - 5,6 м2/ч. После обработки произошло увеличение работающей части фильтра на 2,8 м, что составило 28 %

общей обеспечивающей приток поверхности в интервале 42,2-52 м. Дебит скважины при той же глубине загрузки эрлифта вырос с 18 до 36 м3/ч, а удельный дебит - с 5,6 до 18 м2/ч. Произошло перераспределение притока воды через фильтр: если до обработки нижняя половина фильтра обеспечивала 23,1 % общего притока, то после обработки ее приток составил 36,1 % (рис. 3).

Радиометрия. Сравнение кривых показывает, что после обработки произошло уменьшение радиоактивности в интервале фильтра, что указывает на удаление кольматанта, имеющего повышенную радиоактивность (соединения калия, урана, тория).

Таблица 3

Эффективность восстановления скважин газоимпульсно-реагентно-виброволновой технологией

Первоначальный удельный дебит, м2/ч Газоимпульсная обработка Увеличение удельного дебита, раз Реагентная обработка Виброволновая обработка Общее увеличение удельного дебита, раз Восстановление

Скважина Удельный дебит до обработки, м2/ч Удельный дебит после обработки, м2/ч Удельный дебит после обработки, м2/ч Увеличение удельного дебита, раз Удельный дебит после обработки, м2/ч Увеличение удельного дебита, раз удельного дебита относительно первона-чального,%

№ 18

«Зеленовка» 21,7 6 11,7 1,95 13,5 1,15 15 1,11 2,5 69

№ 28б

«Зеленовка» 13,3 2,2 2,8 1,27 5,76 2,06 8,57 1,5 3,9 30

№ 19б

«Зеленовка» 4,8 1,7 1,9 1,11 2,7 1,42 3,64 1,35 2,4 50

№ 7б

«Рыщицы» 3 0,3 0,4 1,33 1,2 3,00 - - 4 40

№ 0б

«Дражня» 20 4 6 1,5 11,3 1,90 - - 2,8 57

№ 29б

«Дражня» 25,5 3,3 12 3,6 16 1,3 18,9 1,2 5,7 74

№ 28б

«Новинки» 10,2 0,84 1,9 2,3 3,6 1,9 4,5 1,25 5,4 53

№ 5б

«Боровляны» 24 6,4 9,8 1,5 16 1,6 18 1,13 2,8 79

- !Л/С, О

,6 л/с

Н, м

Рис. 2. График изменения расхода по длине фильтра: 1 - до обработки скважины; 2 - после

Кавернометрия. Из сравнительных данных кавернометрии видно, что после обработки произошло увеличение и выравнивание внутреннего диаметра фильтровой колонны, свидетельствующее об удалении кольматанта с внутренней поверхности дырчатого каркаса. Это отразилось на увеличении удельного дебита скважины и улучшении распределения притока по фильтру (см. расходометрию).

Гамма-гамма-каротаж. Методом гамма-гамма-каротажа никаких изменений не отмечено.

а б

200 240 280 :.!;. О, мм

.  : . У/СМ , 0

40 л 40

га 42 >--_ 42

л ч 44 к V- У Ч 44

Б е- N 3* А V

46

4В 4В

50 50

га Г)

I 52 о 1 1 92

с; 1 )

Н, м У Н, м

в

г. :; с; пА/кг

Рис. 3. Диаграммы изменения параметров фильтра скважины при применении технологии комплексного газо-импульсно-реагентно-виброволнового воздействия на фильтр и прифильтровую зону: а - изменение акустических параметров фильтра (акустический каротаж): 1 - до обработки скважины; 2 - после; б - кавернометрия зоны фильтра: 1 - до обработки скважины; 2 - после; в -нейтронный каротаж зоны фильтра: 1 - до обработки скважины; 2 - после

В целом, по данным геофизических исследований, уверенно отмечается освобождение фильтра и прифильтровой зоны от кольматанта.

Расчет затрат реагента. К основным технологическим параметрам реагентной обработки относятся удельное количество реагента, необходимое для растворения единицы массы

кольматанта, и расход реагента на 1 м. п. фильтра. Эти параметры разработанной комбинированной технологии определялись по результатам обработок скважин на основе анализов проб жидкости, откачиваемой из скважин после окончания реакции.

Расчетная масса хлористого водорода HCl оценивалась по известной формуле [2]

Мhci = 1,2 KCM к

где Кс - коэффициент стехиометрии реакции, учитывающий соотношение «кольматант - реагент» концентрацией 100 %; Мк - теоретическая масса кольматанта в скважине, которая определялась по предполагаемой насыщенности порового пространства гравийной обсыпки.

Теоретическое значение коэффициента Кс т рассчитывалось согласно уравнениям реакции по известному химическому составу кольма-танта и вычислялось следующим образом:

у m(HCl> Кс.т =-

т„

т,

(HCl)r 100

где m(Hci)r - теоретическая масса HCl, приходящаяся на 100 кг кольматанта общей массой тк; тк = 100 кг.

Также теоретически рассчитывался коэффициент образования солей К(сол)г, который определяет соотношение расчетной массы образующихся растворенных солей т(сол> после реакции к исходному количеству кольматанта тк = 100 кг:

К

т,

(сол)т

(сол)т

т„

т,

(сол)т 100

Представляло интерес найти опытные значения коэффициентов Кс.оп, К(сол)оп и массу Мк растворенного кольматанта в скважине.

Определив по (1) величину МНС1, необходимый объем реагента УНс1 заданной концентрации для обработки скважины вычислялся по формуле

МНС1

^HCl =

рС,

HCl

где СНС1 - массовая концентрация реагента; р -плотность реагента.

После обработки фильтра реагентом в течение 20-24 ч проводилась опытная откачка скважины эрлифтом с взятием проб жидкости в определенные моменты времени.

По замеренным данным устанавливали следующие исходные характеристики.

Объем АУ, жидкости, пошедшей на выброс за промежуток времени А^- между взятием проб:

АУг = £ Ц,

где Qэ - производительность эрлифта.

Концентрацию С(сол)г- солей в пробах определяли по методике анализа природной воды выпариванием [9]. Массу М(сол> откачанных солей за промежуток времени определяли, используя выражение

М

Концентрацию С(НС1)г- избытка соляной кислоты в пробах рассчитывали по формуле

с = 10-ph

Массу откачанной соляной кислоты ДМ (HCl); за промежуток времени At; определяем следующим образом:

ДМ

Суммарные массы солей М сол, весь откачанный объем жидкости V, массу откачанной соляной кислоты АМ HCl:

М сол = У ДМ (сол);;

i=1

ДМ HCl =У ДМ (HCl);; i=1

n

V = ,

где п - число замеров (проб).

На ряде скважин дополнительно определялось количество остаточного кольматанта, удаляемого в процессе виброволновой обработки, осуществляемой после откачки продуктов реакции. В заданные промежутки времени отбирали определенное количество жидкости, которую фильтровали через предварительно взвешенный бумажный фильтр [10]. Фильтрат отбрасывали: твердую фазу высушивали до постоянного веса при 85 °С, взвешивали и относили к единице объема (1 дм3). Умножением этой величины на объем откачиваемой жидкости получали массу остаточного кольматанта Мк при работе виброволнового генератора.

n

n

В табл. 4 представлены результаты расчетов по определению количества откачанных солей

М сол и остаточной соляной кислоты А Мна из скважины № 5б, при этом для кольматанта этой скважины теоретические значения коэффициентов составили: Кс.т = 1,058; К(сол)г = 1,59.

Согласно полученным данным: АМнс1 = = 5 кг; Мсол = 815 кг. С учетом загрузки в скважину 1600 кг 35%-й соляной кислоты и 100 кг

«Дескама» (табл. 2), что составило Мнс1 = = 580 кг, на реакцию израсходовано

Мнс1 = Мнс1 -АМ нс1= 580 - 5 = 575 кг.

Теоретическое значение коэффициента К^^ = = 1,59, тогда теоретическая масса солей, образовавшаяся при разложении кольматанта массой Мк = 543 кг, равна

М (сол)т = К(сол)т Мк(нс1) = 543 • 1,59 = 863 кг.

После обработки скважины объем откачанной жидкости составил V = 142,2 м3, а опытная масса солей Мсол = 815 кг (табл. 4).

Учитывая, что концентрация природных солей в объеме V составила С0 = 0,270 кг/м3, общая масса природных солей

М,

= CV = 142,2 • 0,279 = 40 кг.

MСол = мсол -M(СОЛ)0 = 815 - 38 = 777 кг.

а кольматанта Мк(СОЛ) по количеству откачанных солей равна

М

М„

к

K

(сол)т

777 159

= 488 кг.

Значения масс кольматанта, полученных по фактическим затратам кислоты (Мк(нс1) = 543 кг) и по количеству откачанных солей из скважины (Мк(сол) = 488 кг), отличаются между собой на 10 %, что обусловлено переменным расходом эрлифта (Q ф const) первые 5 - 10 мин откачки.

Среднее значение расчетной массы кольматанта, удаленной из скважины:

М, =-

М

к

+M,

к

543+488

= 515 кг.

Фактические затраты 100%-го хлористого водорода Мнс1 = 575 кг. Откуда опытное значение коэффициента стехиометрии реакции

Кс.оп =

М hci 575

М

к

515

= 1,12,

а опытное значение коэффициента К(сол)оп равно ^М (сол)оп 815

К,

(сол)о

М,

543

= 1,5.

Тогда масса солей, полученных в результате По аналогичной методике рассчитан ряд

обработки, равна скважин, данные по которым приведены в

сводной табл. 5.

Таблица 4

Опытные данные откачки из скважины № 5б водозабора «Боровляны» после реагентной обработки

л)<

Номер пробы АГ, мин АУЬ м3 С(сол)Ь г/л М (сол),-, кг рн Снс1, г/л А М (сол),-, кг

1 2 1,2 28,356 34,027 1,2 2,309 2,770

2 2 1,2 34,460 43,750 1,4 1,457 1,748

3 2 1,2 38,796 46,555 2,0 0,365 0,438

4 3 1,8 30,026 54,047 5,0 0,0003 0,0007

5 5 3,0 19,474 58,422 5,6 9Д-10-5 0,00027

6 7 4,2 16,520 69,384 5,8 5,4-Ю-5 0,00023

7 10 6,0 13,314 79,884 6,0 3,6-Ю-5 0,00022

8 12 7,2 8,760 63,072 6,2 - -

9 15 9,0 7,077 63,693 6,4 - -

10 30 18,0 5,934 106,812 6,4 - -

11 30 18,0 4,783 86,094 7,0 - -

12 30 18,0 2,937 52,866 7,0 - -

13 30 18,0 1,857 33,426 7,4 - -

14 30 18,0 1,015 18,270 7,6 - -

15 30 18,0 0,278 5,004 7,6 - -

Итого V- 142,2 М сол-815 А М нс1 -5

Таблица 5

Результаты расчетов количества реагента и кольматанта по откачкам

Номер скважины, водозабор Исходная масса 100%-й HCl M(0)ыа, кг Коэффициент стехиометрии реакции (теор.) К Коэф-фици- ент образования солей (теор.) К(сол)т Объем откачанной жидкости V, м3 Остаток 100%-й HCl после реакции А М hci, кг Масса откачанных солей Мсол, кг Масса прореагировав- шей 100%-й HCl Мна, кг Масса коль- матанта, рассчитанная по затратам HCl Мк(нс1), кг Масса кольма-танта, рассчитанная по образованию солей Мк(сол), кг Расчетная масса коль-матанта Мк, кг Коэффициент стехиометрии реакции (фак-тич.) Кс.ф Масса шлама, М, кг

№ 18 «Зеленовка» 389,3 1,109 1,646 280 9,5 379,8 342 342 1,109 217

№ 19 «Зеленовка» 560,7 0,907 1,35 56 19,7 541 596 596 0,907 61

№ 28б «Зеленовка» 548 0,709 1,08 97,92 15 533 751 751 0,709 16

№ 29б «Дражня» 679,8 0,984 1,51 98,5 7,2 1003 672,3 683 664 674 1 42

№ 28б «Новинки» 650 1,01 1,51 12,96 13 929,7 637 630 615 633 1 73

№ 5б «Боровляны» 580 1,058 1,59 142,2 5 777 575 543 488 515 1,12 58

Из анализа данных (табл. 5) следует, что с одного погонного метра фильтра с помощью комбинированных технологий удалось извлечь в среднем от 40 до 63 кг кольматанта в растворенном виде и затем - в виде шлама в процессе виброволновой обработки. Во всех случаях применения технологии соляная кислота израсходовалась практически полностью, ее остаток составлял от 5 до 20 кг в пересчете на 100%-й хлористый водород. Фактические затраты 100%-й HCl на 1 м. п. фильтра составили от 28 до 57 кг.

Уточненное значение массы кольматанта в фильтре получено как среднее арифметическое его количества, рассчитанного по фактическим затратам хлористого водорода и массы растворенных этой кислотой солей.

В Ы В О Д Ы

1. Разработано комбинированное технологическое оборудование для подачи реагента в фильтр, циклического его задавливания в пласт сжатым воздухом и эрлифтной откачки продуктов реакции, отличающееся простотой и безопасностью ведения работ.

2. Сравнительные испытания двух технологических схем проведения комбинированных обработок показали, что наибольшая степень восстановления удельного дебита достигается при использовании в технологии циклического задавливания реагента (53-79 %) и несколько меньшая (30-69 %) - при использовании реа-гентной ванны. К тому же после реагентной ванны больше остается непрореагированного хлористого водорода (9,5-19,7 кг), нежели при использовании циклического задавливания (5-13 кг), при одинаковом времени обработки.

Геофизические и телеметрические исследования, проведенные на скважине № 5б до и после восстановительных работ, показали высокую эффективность разработанной в БНТУ комбинированной технологии.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Гаврилко, В. М. Фильтры буровых скважин / В. М. Гаврилко, В. С. Алексеев. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1985. - 334 с.

2. Специальные работы при бурении и оборудовании скважин на воду: справ. / Д. Н. Башкатов [и др.]. - М: Недра, 1988. - 267 с.

3. Кремер, В. В. Гидрогеологические исследования в связи с оценкой эффективности строительства и эксплуатации водозаборных скважин (на примере юго-восточной части западно-сибирского артезианского бассейна): автореф. ... дис. канд. геол.-минералогич. наук: 04.00.06 / В. В. Кремер; ТПИ. - Томск, 1987. - 18 с.

4. Алексеев, В. С. Восстановление дебита водозаборных скважин / В. С. Алексеев, В. Т. Гребенников. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239 с.

5. Воропанов, В. Е. Виброреагентная регенерация скважин на воду: автореф. ... дис. канд. техн. наук: 04.00.06 / В. Е. Воропанов; ВНИИ ВОДГЕО. - М., 1986. - 24 с.

6. Гуринович, А. Д. Питьевое водоснабжение из подземных источников: проблемы и решения / А. Д. Гурино-вич. - Минск: Технопринт, 2001. - 305 с.

7. Андреев, К. Н. Пневмореагентная регенерация скважин на воду: автореф. ... дис. канд. техн. наук: 05.23.04 / К. Н. Андреев; ВНИИ ВОДГЕО. - М., 1990. - 23 с.

8. Ивашечкин, В. В. Газоимпульсная технология восстановления пропускной способности фильтров водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин; под ред. А. Д. Гури-новича. - Минск: БНТУ, 2005. - 270 с.

9. ГОСТ 4011-76. Вода питьевая. Методы определения общего железа // Вода питьевая. Методы анализа. -М.: Изд-во стандартов, 1984. - С. 60.

10. Руководство по химическому и технологическому анализу воды. - М.: Стройиздат, 1973.

Поступила 10.01.2007