КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ ПРИФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН ПНЕВМОИМПУЛЬСНЫМ И РЕАГЕНТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

В. И. Лесной, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

В. И. Зятина, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

А. В. Жибоедов, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

А. В. Овчаренко, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Формулировка проблемы

В основном в подземных водах Донбасса, по данным [1, 2], большое содержание железа и солей жесткости. В процессе эксплуатации водозаборных скважин их производительность может значительно снижаться. Одной из основных причин выхода из строя водозаборных скважин на Втором Донецком водозаборе является снижение их производительности из-за кольматации фильтра и прифильтровой зоны [1]. Далеко не всегда можно соорудить высокодебитные ремонтопригодные скважины, стабильно работающие в течение длительных сроков эксплуатации, поэтому сохранение высокой производительности скважин остается актуальной задачей.

Анализ последних исследований и публикаций

Для восстановления дебита водозаборных скважин, эксплуатируемых в Республике Беларусь, учеными из Белорусского национального технического университета под руководством В. В. Ивашечкина, доктора техн. наук, профессора, заведующего кафедрой «Гидротехническое и энергетическое строительство», разработан способ трубчатых зафильтровых систем промывки скважин.

Устройство скважины с затрубной системой регенерации немного отличается от типовой конструкции водозаборной скважины [3–5], а именно: в затрубном пространстве скважины во внешнем контуре гравийной обсыпки необходимо установить несколько полиэтиленовых нагнетательных труб с перфорацией напротив фильтров скважины (рис. 1).

Рис. 1. Схема водозаборной скважины с затрубной системой регенерации

Расположение нагнетательных труб позволяет осуществлять радиально-направленное движение промывного потока в обсыпке при одновременной работе насоса или эрлифта, что позволяет при подаче реагента осуществлять декольматацию как изнутри фильтра, так и снаружи [3–5].

Сравнительный анализ химического состава воды показал, что вода в Донбассе и Республике Беларусь имеет значительные различия по химическому составу. Кольматант носит различный по составу характер и имеет различия в прочностных характеристиках. При этом проблемы накопления кольматанта схожи, и использование затрубной системы регенерации фильтров водозаборной скважины представляется возможным в условиях Донбасса [2].

Нами предлагается использовать метод пневмоимпульсной обработки скважин с помощью глубинного пневмопатрона, способного работать при высоком внешнем давлении. Сущность метода заключается в использовании пневмопатрона–устройства, обеспечивающего периодические выхлопы в жидкую среду дискретных количеств сжатого до высокого давления воздуха (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид глубинного пневмопатрона

Выхлопы генерируют возмущения в виде волн давления и волн разрежения. Таким образом, в скважине на уровне фильтровой колоны многократно создаются репрессия и депрессия. Такие колебания давления в скважине позволяют разрушить кольматант и вынести его из ячеек фильтра. Кроме этого, ударные волны воздействуют не только на кольматант скважины, но и на кольматант прифильтровой зоны, разрушая в них блокирующие участки и делая более проницаемой для грунтовых вод фильтр и прифильтровую зону водозаборных скважин.

Целью работы является теоретическое обоснование интенсификации работы подземных водозаборов комбинированным методом обработки прифильтровой зоны водозаборных скважин реагентным и пневмоимпульсным воздействием.

Основной материал

Импульсное воздействие должно разрушить кольматант, но не нарушить целостность фильтра. Наиболее подходящим методом, по нашему мнению, является пневмовзрыв.  С помощью глубинного пневмопатрона можно создавать достаточно мощные импульсы давления практически на любой глубине. При этом возможно регулирование мощности выхлопов без остановки процесса очистки скважины. Число повторений импульсов может быть сколь угодно большое, что позволяет идти на уменьшение мощности выхлопа. В процессе обработки скважины образуются пузыри воздуха, которые обволакивают твердые частицы кольматанта, и, обладая высокой скоростью подъема, выбрасывают их из скважины.

Кафедрой ВВиОВР ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры» (г. Макеевка) была предложена технология производства работ при обработке скважины пневмопатроном с использованием эрлифтного пульпопровода [7] (рис. 3).

Рис. 3. Схема обработки скважины пневмопатроном с использованием эрлифтного пульпопровода:
1 – пневмопатрон, 2 – фильтр водозаборной скважины, 3 – конфузор, 4 – эрлифтный пульпопровод, 5 – пакер, 6 – трубопровод подачи сжатого воздуха, 7 – сальник, 8 – обсадная колонна, 9 – рукав высокого давления

Известна зависимость, по которой можно определить давление в ресивере пневмопатрона p на искомой глубине Н [1, 6, 8]:

где σ_pr– приведенная прочность (прочность кольматирующих отложений, которые разрушаются при выполнении работы расширения воздушного пузыря, равная начальному давлению в пузыре объемом 1 л на глубине H = 1 м), Па;

P_atm– атмосферное давление, Па.

Основываясь на [9], нами были выполнены расчеты рабочих параметров эрлифтного эффекта, вызванного работой глубинного пневмопатрона. При расчете высоты h и скорости v подъема водовоздушной смеси приняты следующие условия:

• давление в ресивере пневмопатрона принимается согласно зависимости (1) для приведенной прочности кольматанта 2,0 МПа;
• выхлоп сжатого воздуха производится с периодичностью 1 раз в 3 секунды, что является достаточным условием для непрерывного поступления воды из пласта в скважину в необходимом количестве;
• коэффициент полезного действия эрлифта – 20 %;
• критерии и параметры водовоздушного потока принимались согласно [9] для снарядной структуры двухфазного вертикального восходящего течения.

Данные расчетов по предложенной схеме представлены на рис. 4.

Рис. 4. Теоретическая зависимость высоты подъема гидросмеси h при пневмоимпульсной обработке водозаборной скважины с использованием эрлифтного пульпопровода условным диаме-
тром d_эп, мм

В результате анализа литературных источников было установлено, что для подъема частиц размером до 10 мм скорость восходящего потока смеси должна быть не менее 0,2–0,25 м/с, а для частиц размером до 30 мм–0,4–0,45 м/с, для песка размером 1–2 мм – 0,1–0,2 м/с. Результаты расчетов показали, что скорость подъема водовоздушной смеси значительно превышает требуемую (v = 1–3 м/с).

Объединив циркуляционно-реагентный метод промывки скважинного фильтра В. В. Ивашечкина и метод пневмоимпульсного воздействия с применением эрлифтного пульпопровода, нами предложен комбинированный метод. Причем предлагаемая технология интенсификации работы водозаборных скважин основана на совместной одновременной работе обоих методов в отличие от других комбинированных методов, которые основываются на последовательной или попеременной работе импульсного и реагентного методов. В результате теоретических исследований предлагается следующая схема регенерации фильтра и прифильтровой зоны водозаборной скважины (рис. 5).

Рис. 5. Комбинированный метод обработки прифильтровой зоны водозаборных скважин реагентным и пневмоимпульсным воздействием: 1 – водозаборная скважина, 2 – нагнетательные трубки, 3 – уровень земли, 4 – рукав высокого давления, 5 – эрлифтный пульпопровод, 6 – сжатый воздух, 7 – сальник, 8 – пневмопатрон, 9 – сжатый воздух на выходе из пневмопатрона, 10 – фильтр водозаборной скважины, 11 – пакер, 12 – трубопровод подачи сжатого воздуха

Как показанно на рис. 5, в водозаборную скважину, которая оборудована зафильтровыми трубками, погружают пневмопатрон на уровень фильтра. В этот момент по нагнетательным трубкам под давлением с помощью насоса подают реагент. Одновременно с подачей реагента производится пневмоимпульсная обработка, что обеспечивает максимальную степень очистки фильтра от кольматанта и разрушение кольматирующих отложений в прифильтровой зоне. После взрыва сжатый воздух вместе с водой (водовоздушная смесь) поднимается наружу по эрлифтному пульпопроводу. Одновременно с притоком воды из скважины в пласт происходит движение раствора реагента от нагнетающих трубок в скважину, тем самым обеспечивается более эффективная обработка импульсным и реагентным методами.

При правильном выборе параметров пневмоимпульсного воздействия (давление в пневмопатроне, объем ресивера пневмопатрона, диаметр пульпопровода, частота импульсов и др.) эрлифтный эффект позволяет одновременно с водой поднимать из скважины разрушенный кольматант и промывочный раствор [6, 8].

Для удобства составлена номограмма (рис. 6), учитывающая зависимость высоты обрабатываемой зоны фильтра (Н_оз, м) от приведенной прочности (σ_п, МПа) и диаметра фильтра (d_ф, мм), а также рабочего давления в ресивере пневмопатрона (р_н, МПа) и высоты подъема гидросмеси (h, м) от глубины погружения пневмопатрона (Н, м) и условного диаметра эрлифтного пульпопровода (d_эп, мм).

Рис. 6. Номограмма для определения рабочих параметров пневмоимпульсной обработки глубинным пневмопатроном

При выборе реагентов для регенерации фильтров водозаборных скважин, эксплуатируемых в Донбассе, учитывались состав воды в данном регионе и химический состав кольматирующих отложений. Наиболее подходящим, по нашему мнению, является многокомпонентный раствор на основе трихлоруксусной и сульфаминовой кислот. Данный раствор разрушает кристаллы солей, CaCO₃, MgCO₃, CaSO₄, что присуще подземным водам Донбасса.

Рекомендации

Определены основные рабочие параметры предложенного метода восстановления дебита водозаборных скважин, эксплуатируемых в Донбассе [10]. Рекомендуется для скважин глубиной до 100 м, диаметром фильтра до 300 мм и высотой фильтра до 5,0 м установить следующие рабочие характеристики пневмореагентной обработки:

• давление в ресивере пневмопатрона–12,5 МПа;
• высота обрабатываемой зоны фильтра–0,5 м;
• высота подъема эрлифтной водовоздушной смеси–25–30 м;
• количество пневмоимпульсов составляет 15–20 импульсов в минуту;
• реагент для растворения кольматирующих отложений – многокомпонентный раствор на основе трихлоруксусной кислоты и сульфаминовой кислоты;
• ориентировочная масса и объем основных реагентов:
• трихлоруксусной кислоты m _CCl3COOH = 160 кг, V_{CCl3COOH 15%} = 655 л;
• сульфаминовой кислоты m_NH2SO3H = 100 кг, V_{NH2SO3H 10%} = 465 л.
• время пневмореагентной обработки–не более 45 мин.

Выводы

Теоретические исследования показали, что при использовании затрубной системы регенерации и метода пневмовзрыва с применением эрлифтного пульпопровода можно достигнуть максимального результата очистки фильтра водозаборных скважин от кольматанта и, соответственно, продлить срок службы фильтров водозаборных скважин.

Для подтверждения данного предположения необходимо в будущем провести ряд экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях, связанных с уточнением параметров совместной работы пневмопатрона и системы циркуляционной реагентной регенерации.

Литература

1. Лесной В. И. Интенсификация работы действующих водозаборных скважин пневмоимпульсной обработкой: дис. … канд. техн. наук. Донецк, 2013.
2. Лесной В. И., Жибоедов А. В., Гаврилов И. О. Применение затрубной системы регенерации скважин в условиях Донецкой области // Апробация. – 2017. – № 3 (54). – С. 23–26.
3. Ивашечкин В. В., Автушко П. А., Коледюк Д. А. Экспериментальные исследования скважины, оснащенной затрубной системой реагентной промывки // Энергетика: международный научно-технический журнал. – 2011. – № 1. – С. 80 –87.
4. Ивашечкин В. В., Автушко П. А., Шейко А. М. Исследование установленного движения жидкости в прифильтровой зоне скважины при ее регенерации с помощью трубчатой зафильтровой системы промывки // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. – 2013. – № 5.–С. 85–94.
5. Ивашечкин В. В., Автушко П. А. Сооружение и ремонт водозаборной скважины с системой циркуляционной регенерации // Энергетика: международный научно-технический журнал. – 2011. – № 4. – С. 64–73.
6. Слёз Л., Лесной В., Кенджаева Н. Применение глубинного пневмопатрона для восстановления производительности водозаборных скважин // Intern. J. Operat. Industry Machinery. 2012.–Vol . 14. – № 1.–P. 60–65.
7. Нездойминов В. И., Лесной В. И., Дмитров П. О., Гольдин И. С. Устройство для повышения эффективности пневмоимпульсной обработки водозаборных скважин (эрлифтный пульпопровод): пат. 90855 Украина. МПК V08V 9/04. Бюл. № 11.2014.
8. Лесной В. И., Нездойминов В. И., Дмитров П. А. Основные параметры воздействия пневмовзрыва на фильтр и прифильтровую область водозаборной скважины  // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. Инженерные системы и техногенная безопасность в строительстве: сб. научн. работ. – 2013. – № 5 (103).–С. 130–136.
9. Кононенко А. П. Рабочий процесс эрлифта и его моделирование: монография. Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2010. С. 171.
10. Овчаренко А. В. Усовершенствование технологии пневмоимпульсной обработки водозаборных скважин с целью восстановления их дебита: автореф. маг. дис. Макеевка, 2019.