Состав и свойства кольматирующих образований водозаборных скважин

При бурении, освоении и эксплуатации водозаборных скважин проявляются процессы механического, химического и биологического кольматажа, определяющие не только длительность действия водозаборов, но и эффективность намечаемых технологий для восстановления дебитов скважин. Процессы механического кольматажа в основном завершаются на стадии строительной прокачки скважины, а химического и биологического – наблюдаются в течение всего периода действия водозабора.

По составу кольматирующие образования в скважинах, каптирующих песчаные водоносные горизонты, отличаются разнородностью и представлены различного рода неорганическими соединениями в аморфном или кристаллическом виде.

Авторами проанализированы пробы кольматирующих образований, отобранных из 125 водозаборных скважин промыслов и водозаборов городов Новый Уренгой, Когалым, Сургут, а также на объектах сельскохозяйственного водоснабжения в Башкирии, Воронежской, Тамбовской областях и Краснодарском крае. Исследуемые скважины каптируют песчаные водонасыщенные породы различного гранулометрического состава и возраста. Кольматирующие осадки были отобраны непосредственно с сеток фильтров, извлеченных из скважин, и с водоподъемного оборудования.

При эксплуатации водозаборных скважин происходит кольматация порового пространства прифильтровых зон скважин, что существенно снижает продуктивность скважин.

В гранулярных коллекторах в составе кольматирующих образований преобладают железистые соединения. Изложены методики химического и минералогического анализов скважин. Дается оценка интенсивности кольматационных процессов в скважинах. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании работ по восстановлению продуктивности скважин водозаборов подземных вод.

В связи со сложностью химического состава кольматирующих образований и их близостью по структуре к минералам при исследовании химического состава руководствовались методами химического анализа минералов и горных пород. Трактовка результатов химических анализов не всегда однозначна и порой, по-видимому, ошибочна. Для разработки эффективных мер по удалению кольматирующих образований из скважин необходимо знать прежде всего минералогический состав осадков. Минералогические методы изучения учитывают широко развитые явления изо- и полимофизма и дают наиболее достоверную информацию о составе минеральных образований, что позволяет достаточно обоснованно выбрать необходимые реагенты для их растворения. Вместе с тем методы химического анализа состава осадков позволяют получить информацию о количественном распределении в составе осадков основных видов их составляющих.

При выполнении химических анализов образцы высушивали до постоянной массы при 103 °С и определяли потери массы при прокаливании до 1000 °С. Для растворения образцов кольматирующих образований использовали концентрированную соляную кислоту в разбавлении 1:1. Растворение проводили при комнатной температуре, что исключало перевод в исследуемый раствор оксида кремния, представленного включением мелких частиц песка в кольматирующие образования в период пескования скважин. В прокаленных и растворенных образцах определяли содержание оксида и закиси железа, оксида алюминия. кальция, магния, марганца, кремния, фосфора, сульфат- и сульфид-ионов, углекислого газа.

Исследованиями установлено, что химический состав осадков изменяется в следующих пределах (%):

20,15–76,68 Fe2O3; 0,38–40,11 FeO; 0,05–12,23 Al2O3; 0,05–4.08 MgO; 1,63–20,25 CaO; 0,03–2,80 SiO2; 0,04–0,79 MnO; 0,11–6,12 Р2О5; 0,66–24,72 FeS. Потери при прокаливании составляют 13,99–36,42 %. Минералогический состав образцов кольматирующих образований изучали с помощью методов визуальных, микрохимического анализа, ИК-спектрометрии, рентгенофазового анализа, дифференциального термического анализа, дифференциального термогравиметрического анализа с использованием дериватографа. Результаты исследований минералогического состава кольматирующих образований представлены в табл 1.

Таблица 1. Перечень минеральных образований в водозаборных скважинах 

Во многих пробах осадков обнаружены такие примеси, как полиморфный кварц и глинистые минералы различного вида (монтмориллонит, гидрослюда, иллит, палыгорскит).

Общепризнанным является и то, что процессы коррозии конструктивных элементов скважины так-же существенным образов влияют на образование железистых кольматирующих соединений химического генезиса в скважинах. На первом этапе развития коррозийных процессов образуется вюстит (FeO) и далее происходит сложный многостадийный процесс трансформации продуктов коррозии оборудования1:

Сложные ассоциации минералов, возникающие в прифильтровых зонах скважин, предсказать трудно. Вместе с тем достоверным является то, что при каптаже подземных вод, приуроченных к песчаным коллекторам, в составе кольматирующих образований преобладает железистая составляющая.

Внутренние структурные связи кольматирующих образований определяют их прочностные свойства. На первом этапе формирования кольматирующих соединений образуются рыхлые отложения вязкопластичной консистенции с водно-коллоидными связями при незначительной прочности осадков. В процессе диагенеза водно-коллоидные связи кольматирующих образований замещаются на кристаллизационные, в результате чего в гранулированном коллекторе образуется цемент обрастания.

Совокупное воздействие кольматационных процессов приводит к отложению осадков в пористой среде гравийной обсыпки, а также в отверстиях фильтров. Накопление осадка в порах пористой среды обуславливает изменение ее структурных показателей, вызывает снижение коэффициента фильтрации прифильтровой зоны и, как следствие, этого – падение производительности скважины. Степень кольматации пористой среды обычно выражается через насыщенность порового пространства a осадком, определяемую по формуле

α=(n₀–n)/n₀,

где n₀ и n – коэффициенты начальной и текущей пористости среды.

 Зависимость между проницаемостью среды и ее насыщенностью кольматирующими образованиями в общем случае, по мнению проф. Д. М. Минца, имеет вид:

k/k₀=(1–α)m,

где k и k0 – текущий и первоначальный коэффициент фильтрации прифильтровой зоны, m – показатель

степени (m=2,8÷3,3). При m=3, .

 Результаты обследования скважин путем вскрытия прифильтровых зон и извлечения фильтров указывают на то, что в максимальной степени кольматируются породы, непосредственно примыкающие к фильтру скважин, а по мере удаления от фильтра наблюдается постепенное уменьшение количества отложений.

 У сетчатых фильтров отложения формируются в непосредственной близости, и размер зоны кольматации, как правило, не превышает 15 мм, что связано с интенсивной кольматацией сетки фильтра. В лабораторных условиях оценивалась водопроницаемость закольматированных сеток, а после отмыва кольматирующих образований реагентами – насыщеннность сеток осадком (табл. 2).

Таблица 2. Коэффициенты фильтрации (м/сут) и насыщенность кольматирующими образованиями сеток фильтров скважин Тамбовской области

Лабораторными исследованиями натурных кольматирующих образований была определена их плотность, которая, согласно полученным данным (табл. 3), изменяется в пределах от 2240 до 3129 кг/ м³ и в расчетах может быть принята равной 3000 кг/м³..

Таблица 3. Плотность кольматирующих образований

^{Рисунок: Кольматация фильтров водозаборных скважин. Вид снаружи и изнутри (данные видеообследования).}

Масса отложившихся кольматирующих образований Р (кг) ориентировочно может быть вычислена по насыщенности ими порового пространства a гравийной обсыпки:

P=αω_порρ_ос,

где w_пор – объем пор гравийной обсыпки, м³, rос плотность кольматирующих образований, кг/м³ (ориентировочно rос=3000 кг/м³).

 По результатам экспериментальных обработок скважин в Тамбовской области, оборудованных сетчатыми фильтрами, установлено изменение насыщенности порового пространства кольматантом и массы последнего в зависимости от срока эксплуатации скважины (см. рисунок).

 В практических расчетах интенсивность кольматационных процессов может быть оценена по данным об изменении удельного дебита скважин во времени при аппроксимации этой зависимости

 где q_t – удельный дебит скважины в рассматриваемый момент времени t; q₀ – первоначальный удельный дебит скважины, т. е. при сдаче ее в эксплуатацию; β– коэффициент интенсивности кольматационных процессов, мес^–1; t_зап – период запаздывания во времени в наступлении экспоненциальной зависимости, мес.

Изменение насыщенности порового пространства (∞) и массы кольматанта прифильтровой зоны скважин во времени

Анализ зависимости q_t=ƒ(t) показывает, что опытные данные аппроксимируются не сразу после включения скважины в работу. Имеется некоторый период запаздывания t_зап во времени в наступлении этой зависимости (стабильный период работы скважины).

Величина коэффициента интенсивности кольматационных процессов β (по данным длительных наблюдений по 188 скважинам) колеблется в пределах (1,4÷4,5)×10^–2 мес^–1 (средние показатели). Прослеживается отчетливая связь между конструкциями фильтров и интенсивностью снижения удельных дебитов скважин. Так, для скважин с гравийно-проволочными фильтрами β=(0,5÷2,0)×10^–2 мес^–1 и время стабильной работы t_зап=12÷30 мес (средние показатели), а для скважин с блочными и сетчатыми фильтрами β=(3,5÷4,7)×10^–2 мес^–1 и t_зап<6 мес.

Рассчитанные параметры кольматационных процессов могут служить основой для оценки стабильной работы водозаборов и рациональных межремонтных периодов скважин.

Важно отметить: в практике сервисных компаний США, обслуживающих водозаборы подземных вод, для увеличения дебитов скважин, как правило, проводят обработки скважин растворами гранулированной сульфаминовой кислоты с периодичностью 1–2 года, т. е. на стадии образования водно-коллоидных связей в кольматирующих соединений, до их диагенеза, когда они легко растворяются в слабой кислоте органического происхождения.

Полученные результаты исследований состава и свойств кольматирующих соединений водозаборных скважин и интенсивности кольматационных процессов позволяют обоснованно определить рациональный межремонтный период скважин и наметить необходимые ремонтно-восстановительные мероприятия.