Совершенствование технологии кавитационного декольматажа фильтровой области гидрогеологический скважин :

Краткое описание

ВВЕДЕНИЕ, АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ...4

ГЛАВА I ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН, ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ...7

1.1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН...7

1.2. АНАЛИЗ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ВСКРЫТИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСВОЕНИЯ ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА...14

1.2.1. ОСВОЕНИЕ СКВАЖИН НА ВОДУ, СТАДИИ И ОЦЕНКИ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ...15

1.2.2. КРАТКИЙ ОБЗОР ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ РЕГЕНЕРАЦИИ СКВАЖИН...22

1.2.2.1. ГИДРО-ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ...23

1.2.2.2. РЕАГЕНТНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ...33

1.2.3. ПРИМЕНЯЕМЫЕ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ И РЕГЕНЕРАЦИИ СКВАЖИН...38

1.3. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ИХ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ...47

1.3.1. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН...47

1.3.2. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН...56 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...64

ГЛАВА II ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...71

2.1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СНИЖЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЫ СКВАЖИН И КАВИТАЦИИ, КАК СРЕДСТВА ЕЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ...71

2.2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...71

2:2:1: СУЩЕСТВУЮЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ...71

2.2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА...78

2.2.2.1. РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ...79

2.2.2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОКАЗЫВАЮЩИХ ВЛИЯНИЕ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ КАВИТАЦИИ И ХАРАКТЕР ЕЕ РАЗВИТИЯ...80

2.2.2.3. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ КАВИТАЦИИ И РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЯ УПРАВЛЕНИЯ...82

2.3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ КАВИТАЦИИ...87

2.3.1. НАПРАВЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КАВИТАЦИИ...87

2.3.2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ СТЕНДОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КАВИТАЦИИ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ...88

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II...93

ГЛАВА III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ КОЛЬМАТАЖА-ДЕКОЛЬМАТАЖА ФИЛЬТРОВОЙ ОБЛАСТИ РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ ИХ СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ..95

3.1. ВЛИЯНИЕ КОЛЛЕКТОРОВ ПРОДУКТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ, КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН И ФИЛЬТРОВ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ РАБОТЫ СКВАЖИН...95

3.2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОЛЬМАТАЖ ФИЛЬТРОВОЙ ОБЛАСТИ СКВАЖИН ПРИ ВСКРЫТИИ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ...105

3.2.1. СХЕМЫ ВСКРЫТИЯ И КОЛЬМАТАЖА ФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЫ...105

3.2.2. ОЧИСТНЫЕ АГЕНТЫ, ПРЕДОТВРАЩАЮЩИЕ КОЛЬМАТАЖ ФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЫ...112

3.3. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОЛЬМАТАЖ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ...113

3.3.1. ВИДЫ КОЛЬМАТАЖА ФИЛЬТРОВ ИПРИФИЛЬТРОВЫХ ЗОН СКВАЖИН...ИЗ

3.3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СНИЖЕНИЕ

ПРОНИЦАЕМОСТИ ФИЛЬТРОВ И ПРИФИЛЬТРОВЫХ ЗОН ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН...121

3.3.3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИЧИНАХ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН...136

3.3.4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СКВАЖИН, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ НАКОПЛЕНИЕМ КОЛЬМАТАНТА В ФИЛЬТРОВЫХ ЗОНАХ...141

3.4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН...148

3.4.1. МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА СКВАЖИН...148

3.4.2. РАСЧЕТЫ ВЕЛИЧИН УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ РАССЕИВАЕМОЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ¦ СПОСОБАХ ОБРАБОТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ СКВАЖИН...151

3.4.2.1. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ...152

3.4.2.2. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИМИ КОЛЕБАНИЯМИ...157

3.4.2.3. ЭНЕРГЕТИКА МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ...161

3.4.2.4. ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИКИ МЕТОДОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ...164

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III...173

ГЛАВА IV ТЕОРИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРОДИНАМ ИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ В ФИЛЬТРОВОЙ ОБЛАСТИ РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН С ЦЕЛЬЮ ЕЕ ДЕКОЛЬМАТАЖА...176

4.1. ТЕОРИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГОРНУЮ ПОРОДУ...176

4.1.1. ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ВОДЕ И ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГОРНЫХПОРОДАХ...176

4.1.2. ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЯХ...185

4.1.3 ОБЛАСТЬ РАЗРУШЕНИЯ СТРУКТУРЫ ГОРНОЙ ПОРОДЫ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ

ВОЗДЕСТВИЯХ...186

4.1.4. ДЛИТЕЛЬНОСТЬ МЕЖРЕМОНТНЫХ ПЕРИОДОВ ПРИ ЭКСПЛУА ТАЦИИ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН...192

А2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ СПОСОБОВ ДЕКОЛЬМАТАЖА ФИЛЬТРОВОЙ ОБЛАСТИ РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ...195

4.2.1. ТИПЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КАВИТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ...195

4.2.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КАВИТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ...204

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV...221

ГЛАВАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ С ЦЕЛЬЮ ДЕКОЛЬМАТАЖА ФИЛЬТРОВОЙ ОБЛАСТИ РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН...224

5.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ НА ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ КОЛЬМАТАНТА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ СКВАЖИН...224

5.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТОМ КАВИТАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРА Р2/Р,...232

5.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГЛИНИСТОГО КОЛЬМАТАНТА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ СКВАЖИН ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТА

КАВИТАЦИИ...240

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ V...245

ГЛАВА VI РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ 247

6.1. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФИЛЬТРОВ И ПРИФИЛЬТРОВЫХ ЗОН ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН...247

6.2. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ПОГРУЖНЫХ ОТКАЧНЫХ НАСОСОВ В ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИНАХ...250

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...265

ЛИТЕРАТУРА...267

ПРИЛОЖЕНИЯ...287

РАСЧЕТ ОЖИДАЕМОЙ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ...287
Введение

ВВЕДЕНИЕ, АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Подземные воды более защищены от техногенных и других видов загрязнений. Несмотря на это в России из подземных источников добывают около 30 %, а из поверхностных 70 % воды, в то время как в большинстве ведущих стран мира это соотношение находится, соответственно в пределах 70 и 30%.

Производительность водоносных горизонтов резко снижается из-за кольматажа фильтров и прифильтровых зон скважин осадками различного происхождения.

Ведущими научно-исследовательскими организациями (ВНИИ ВОДГЕО, Русбурмаш, ОАО НПО "Буровая техника" - ВНИИБТ, ВИТР, СКБ Геотехника, ВНИИГаз и др.) разработаны методы и средства вскрытия, освоения и эксплуатации водоносных горизонтов.

Однако, при использовании указанных средств, имеет место ряд неблагоприятных факторов, снижающих общие эколого-экономические показатели эффективности перечисленных технологических процессов. Зачастую наиболее эффективные способы сооружения и восстановления работоспособности гидрогеологических скважин основываются на использовании материалов и химических реагентов, ухудшающих качество питьевой воды. Задача обеспечения безопасной жизнедеятельности населения путем улучшение качества водоснабжения, современное повышение экологических требований до мирового уровня, предъявляемых к технологическим процессам сооружения и эксплуатации скважин, призвано приостановить негативную тенденцию возрастания техногенной нагрузки на окружающую среду, угрожающую необратимыми последствиями. Разрабатываемым в настоящее время Проектом Федеральной программой комплексного совершенствования систем водоснабжения, в соответствии требованиями ВОЗ, предусматривается исключение из состава технологических процессов сооружения и эксплуатации скважин на воду материалов и реагентов ухудшающих качество питьевых вод.

4

Необходимо принять во внимание и тот фактор, что использование современных средств декольматажа водоносных горизонтов требует использования энергоемкого оборудования и осуществления монтажно-демонтажных операций насосно-компрессорных установок, что существенно удорожает работы, прерывает процесс эксплуатации скважин и повышает вероятность аварий технологического оборудования при выполнении различных установочных и спускоподъемных операций. Учитывая указанные сложности, пользователи увеличивают межремонтные периоды, способствуя, таким образом, усилению кольматажа фильтров и околофильтровых областей, что требует применения кардинальных мер (использование кислот, химреагентов, микровзрывов и т.п.) для их декольматажа.

С учетом сказанного приобретают актуальность вопросы комплексного совершенствования технологий сооружения и эксплуатации скважин, исключающие или сводящие к минимуму противоречивость между увеличением межремонтных периодов и сложностью последующих обработок скважин с целью восстановления их дебита.

Идея работы заключается в разработке более совершенного, с экологической точки зрения, метода восстановления проницаемости призабойных зон скважин, повышения эффективности процесса освоения продуктивных горизонтов, увеличения срока службы водозаборных скважин, снижения себестоимости работ путем использования гидродинамических кавитационных колебаний жидкости, генерируемых специальным кавитационным устройством.

Объектом исследований являются цели, условия, средства и результаты технологических процессов сооружения скважин, добычи, подготовки и использования подземных вод.

Предметом исследований являются методы, способы и средства повышения производительности скважин на жидкие полезные ископаемые в различных условиях.

Цель работы - снижение себестоимости восстановительных работ и увеличение срока службы гидрогеологических скважин, за счет совершенствования технологии декольматажа их фильтровой области. Основные задачи исследований.

1. Уточнение причин и закономерностей, определяющих снижение производительности водозаборных скважин в процессе эксплуатации.

2. Установление основных закономерностей кольматажа фильтров и изменения проницаемости прифильтровых зон в процессе сооружения водозаборных скважин, зависимости ее изменения от характеристик продуктивных пластов, методов и средств их вскрытия, способов организации технологических процессов и других факторов.

4. Установление амплитудно-частотных характеристик гидродинамических кавитационных колебаний жидкости в призабойной зоне скважины, искусственно создаваемых с помощью эффекта кавитации в зависимости от конструктивных параметров специального устройства, применяемого для их создания - кавитатора, а также характеристик насоса и фракционного состава горных пород.

5. Изучение принципиальной возможности декольматажа фильтра прифильтровой зоны водозаборных скважин в процессе освоения эксплуатации гидрогеологических скважин за счет использования эффекта кавитации, без демонтажа водоподъемного оборудования.

6. Разработка критериев и методик предпроектного, комплексного прогнозирования эффективности технологий сооружения и эксплуатации гидрогеологических скважин в различных горно-геологических и эколого-экономических условиях и их последующего использования.

ГЛАВА I ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА

РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ

СКВАЖИН, ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

И НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН

Уровень совершенства техники и технологии буровых работ определяется путем сопоставлений с общемировыми и лучшими отечественными достижениями в области техники разведки и организации производства. Но сравнение должно осуществляться не только с точки зрения производительности, но с учетом современных экологических запросов.

Интенсивная эксплуатация подземных вод путем их добычи из водозаборных скважин, в настоящее время привела к существенному увеличению объемов работ, связанных с бурением новых скважин, как на промышленных объектах, так и в сельской местности; при этом темпы роста объемов бурения новых водозаборных скважин характеризуют заметное постоянство.

Однако большое число скважин, особенно в промышленно-развитых районах, приводит к ухудшению качества подземных вод вследствие бактериального и химического загрязнения. Отмечается [191], что при скоплении на определенной площади большого числа скважин возникает опасность усиления инфильтрации поверхностных вод в подземные горизонты и, как следствие, загрязнение подземных вод. Использование подземных вод осложняется появлением в них токсичных компонентов и необходимостью затрат на их очистку.

Опыт эксплуатации водозаборов подземных вод свидетельствует, что отмечается много случаев, когда длительность устойчивой работы водозаборных скважин значительно меньше срока их амортизации, установленной соответствующими нормативными документами на сооружение скважин [7]. В процессе эксплуатации скважин фильтры, как правило, засоряются меха-

7

ническими частицами и зарастают соединениями кальция, магния, кремния, железа и другими солями, содержащимися в подземных водах, что снижает дебит скважин. Для поддержания производительности водозаборов во многих случаях прибегают к сооружению новых скважин, стоимость которых достаточно высока, так как с увеличением доли использования подземных вод соответственно возрастают глубины и стоимость водозаборных сооружений.

Число вновь сооружаемых скважин можно в значительной степени уменьшить за счет восстановления производительности скважин, путем очистки их фильтров от кольматирующих образований. Это позволит обеспечить значимые экологический, а также экономический эффекты.

Существующие и применяемые в настоящее время технологии восстановления производительности скважин лучше всего описаны в [1, 7]. В отмеченных литературных источниках указывается, что основное назначение работ проводимых при восстановлении дебита скважин на воду, оборудованных^ фильтрами, заключается в удалении кольматирующих отложений с наружной поверхности фильтров и из прифильтровой зоны, при этом очистка только внутренней поверхности фильтра для восстановления дебита скважин малоэффективна.

В большинстве случаев осадки, кольматирующие фильтр и прифильт-ровые зоны скважин, являются многокомпонентными, они содержат соли железа, марганца и их гидрооксиды, карбонаты кальция или магния, соединения кремнекислоты и сульфиды, а также песок и глину. Кольматирующие соединения осаждаются на поверхности фильтров и в порах прилегающих водоносных пород. Отложения могут иметь различную структуру: рыхлую, пористую или конгломеративную. Со временем осадки обезвоживаются и уплотняются. В [177] отмечается (важно для представляемой работы), что на начальной стадии своего образования, кольматирующие осадки имеют относительно небольшую прочность и легко могут быть удалены при использовании любого метода обработки скважин.

8

Рыхлопористые кольматирующие образования характерны для осадков биологического происхождения. Они имеют незначительную прочность и при высыхании легко разрушаются. O.K. Киселев в книге "Повышение срока эксплуатации водозаборных скважин" заметил, что образование конгломера-тивных осадков, напротив, связано с процессами химической и механической цементации прилегающих к фильтру водоносных пород или гравийной обсыпки химическими отложениями. Такие осадки характеризуются высокой прочностью, которая с течением времени увеличивается

Методы восстановления дебита скважин на воду в зависимости от типа воздействия на фильтровую зону скважин, в общем, делят на реагентные, импульсные и импульсно-реагентные. На рис. 1.1 [7] приведена классификация методов восстановления дебита скважин, построенная на основе учета управляемых факторов. Первая группа методов на рис. 1.1 предназначена для растворения кольматанта. Предметом изучения здесь являются: подбор вида реагента, его количества; обоснование технологии обработки в зависимости от гидрогеологических и геохимических условий, конструкции скважины; обоснование надежного способа контроля процесса обработки и подбор критерия для оценки ее окончания.

Импульсные методы восстановления дебита скважин относятся к одним из наиболее часто применяемых методов регенерации. Они основаны на создании внутри фильтра и в прифильтровой зоне мгновенного перепада давления, что вызывает ударные нагрузки различной интенсивности и появление фильтрационных потоков переменного направления при значительных градиентах.

9

ФИЛЬТРЫ БУРОВЫХ СКВАЖИН

'*'

ГРАВИТАЦИОННЫЕ

КОЛОКОЛЬНЫЕ

CV-ОБРАЗНЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ

ГРАВИЙНО-ЩЕЛЕВЫЕ

С РЫХЛОЙ ОБСЫПКОЙ, СОЗДАВАЕМОЙ В СКВАЖИНЕ

С МОСТООБРАЗНЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ

С ОТКЛОНИТЕЛЕМ ГРАВИЯ (ПЕСКА) С КОЗЫРЬКАМИ С РЫХЛОЙ ОБСЫПКОЙ, СОЗДАВАЕМОЙ В СКВАЖИНЕ

С РЕБРИСТОЙ ВОДОПРИЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

СЧАСТИЦЕЗАДЕР-ЖИВАЮЩИМИ ОТВЕРСТИЯМИ

СО СКВОЗНЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ

ДЫРЧАТЫЕ

ЩЕЛЕВЫЕ

ПРОВОЛОЧНЫЕ

ПРОВОЛОЧНЫЕ

ПОРИСТЫЕ

МНОГОСЛОЙНЫЕ

БЛОЧНЫЕ

ГРАВИЙНЫЕ

С РЫХЛОЙ ЗАСЫПКОЙ

СОЗДАВАЕМЫЕ В СКВАЖИНЕ

СОЗДАВАЕМЫЕ НА ПОВЕРХНОСТИ

КОЖУХОВЫЕ

КОРЗИНЧАТЫЕ

Рис. 1.1. Ютассификация методов восстановления дебита скважин [7]

10

Для создания импульсов в водозаборных скважинах в них производят взрыв торпед из детонирующего шнура, электрогидравлический удар, пнев-мовзрыв и имплозию. Поэтому для обоснования импульсной обработки скважины исследуется возможная степень разрушения кольматирующих образований в прифильтровой зоне при условии обеспечения сохранности фильтра.

Близкое по характеру воздействие скважина испытывает при пульсирующей прокачке эрлифтами, пусках-остановках погружных насосов, сваби-ровании, гидравлических ударах в фильтрах, возбуждаемых сбрасывание в них желонки или сваба, а также созданием взрыва газа над фильтром сква- жины.

Сочетание импульсных и реагентных методов обеспечивает большую эффективность импульсных воздействий из-за создания более равномерной водопроницаемости пород в прифильтровой зоне по вертикали и развитой поверхности кольматанта, чем обеспечивается более интенсивное растворение внутрипорового кольматанта [7]. При этом разработано три разновидности импульсно-реагентных методов: 1) производство взрыва ТДТТТ, электро-гидроудара или пневмовзрыва с последующей реагентной обработкой; 2) сочетание реагентной обработки с одновременным импульсным воздействием, которое производится дискретно; 3) реагентно-импульсное воздействие с продолжительной вибрацией небольшой интенсивности, создаваемой с помощью низкочастотных механических вибраторов, электровибраторов и акустических вибраторов.

Выбор рациональной технологии восстановления дебита скважин во многом определяется конструктивными особенностями обрабатываемых скважин: глубина, диаметр, способ сооружения.

Применение того или иного способа бурения определяется техниче- скими и технологическими особенностями буровых установок и требуемым качеством сооружения скважин на воду. Он определяется не только возможными скоростями проходки скважин и технологичностью метода, но и необ-

11

ходимостью обеспечения таких параметров вскрытия водоносного пласта, ^ при которых деформация пород в призабойной зоне незначительна, а прони-

цаемость зоны не уменьшается в сравнении с пластовой. В настоящее время в технологиях сооружения скважин на воду наибольшие объемы бурения по-прежнему остаются за вращательно-роторным способом (в общем объеме работ занимают более 90 %.); но при этом, при вскрытии продуктивных пластов применяют глинистые растворы, которые еще на стадии сооружения скважины могут значительно снизить проницаемость фильтровой зоны.

Диаметр скважины также является первостепенным показателем конструкции, который определяет технико-экономическую сторону ее сооруже-'#* ния, а также затраты на ее освоение.

В бурении скважин, в том числе и водозаборных, давно делались попытки перехода к бурению скважин малых диаметров. Многими исследователями неоднократно отмечался немалый экономический эффект, получаемый от бурения скважин малого диаметра [151]. При уменьшении диаметра скважины- сравнительно-легчедостигается повышение прочности конструкции скважин, поэтому в процессе обработки пласта в них можно развить высокие давления с большей гарантией безопасности, чем в скважинах с большими диаметрами эксплуатационной колонны. Следует учитывать также то, что для оборудования скважин в настоящее время широко применяется эффективное и мощное водоподъемное оборудование, - насосы типа Grunfos. По оценкам сотрудников соответствующих дилерских организаций, ведущие мировые производители скважинного водоподъемного оборудования придерживаются линии на то, что производительность современных водоподъемников не следует увязывать напрямую с диаметрами оборудуемых ими скважин. Делаются ссылки на то, что согласно теоретической гидрогеологии увеличение эксплуатационного диаметра водозаборных скважин после достижения определенных величин (достаточно небольших) не сильно увеличивает их дебит, а затраты на сооружение скважин растут существенно.

12

Однако в условиях малых диаметров гораздо труднее производить об- работку без демонтажа водоподъемного оборудования из скважин. Тем более что существуют противоположные оценки целесообразности применения малых диаметров скважин. В первую очередь это касается скважин с гравийной обсыпкой. Анализ влияния ступенчатого изменения проницаемости в гравийной обсыпке (применение которой позволяет существенно увеличивать проницаемость прифильтровой зоны) показывает, что с гидравлической точки зрения при заданном диаметре бурения увеличение радиуса фильтра во всех случаях при прочих равных условиях обусловливает уменьшение потерь напора и увеличение притока к скважине. С учетом данного явления умень- шения гидравлических потерь с уменьшением величины гк/г^ при проектировании скважин рекомендуется исходить из условия максимального увеличения диаметра каркаса фильтра [161].

Глубина скважины также имеет немаловажное значение, так как она в состоянии ограничить возможность применения ряда технологий для восстановления дебита. Глубины водозаборных скважин могут меняться в широких пределах, от десятков метров (для добычи подземных вод, залегающих на глубине более 10 м при толщине водоносного пласта не менее 5...6 м) до 1000 м и более (на термальные воды). До недавнего времени основной объем скважин на воду (до 80 %) приходился на глубины 100... 150 м, но в настоящее время по многим гидрогеологическим районам отмечается увеличение глубин бурения скважин. Причина заключается в «сработке» запасов подземных вод верхних горизонтов и их загрязнении, главным образом, в промышленных районах вокруг мегаполисов. При этом, в глубоких скважинах из-за больших гидростатических давлений на забое, становится невозможным в первую очередь применение АСП-Т; осложняется также применение других методов восстановления дебита (газодинамических, выдавливание реагента воздухом и др.).

Методы восстановления дебита скважин выбирают с учетом конструкции фильтра, интенсивности проявления кольматационных процессов, степе-

13

ни изменения физических и химических свойств кольматирующих отложе- ний, фильтрационных характеристик водоносных пород. В наибольшей степени механической и физико-химической кольматации подвержены сетчатые фильтры. Они имеют наибольшие входные сопротивления, способствующие увеличению скорости движения воды, турбулизации и сильному перемешиванию потока в прифильтровой зоне. При использовании фильтров с сетками большая часть осадков скапливается непосредственно у водоприемной поверхности. Глубина кольматажа прифильтровой области, как правило, невелика и обычно не превышает 10.. .15 см. Фильтры с сетчатой водоприемной поверхностью имеют ограниченную механическую прочность, которая в процессе эксплуатации скважин снижается вследствие электрохимической коррозии каркаса и сетки. В связи с этим очистка сетчатых фильтров от кольматирующих отложений представляет значительную сложность [68].

При ремонте скважин очень важной задачей является правильное определение причин, вызывающих уменьшение их производительности.

1.2. АНАЛИЗ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ВСКРЫТИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСВОЕНИЯ ПРОДУК-

ТИВНОГО ПЛАСТА

Основу технологии сооружения скважин, способов вскрытия и освоения водоносных горизонтов на протяжении многих лет сформировали работы российских и зарубежных ученых: Н.И. Куличихина, Б.И. Воздвиженского, Э.Ф. Эпштейна, Ф.А. Шамшева, K.F. Володченко, С.А. Волкова, А.В. Марам-зина, B.C. Федорова, B.C. Владиславлева, Д.Н. Башкатова, А.Д. Башкатова, С.С. Сулакшина, Е.А. Козловского, Б.Б. Кудряшова, В.М. Питерского, А.Г. Калинина, Б.М. Ребрика, В.Г. Кардыша, А.Т. Киселева, Л.А. Лачиняна, Л.К. Горшкова, A.M. Яковлева, Н.Г. Шелковникова, В.М. Гаврилко, Г.П. Квашнина, О.С. Брюховецкого, В.П. Дробаденко, СП. Экомасова, Р.И. Ши-щенко, Б.И. Есьмана, А.Х. Мирзанджанзаде, Н.С. Беликова, Муррея, Н.А. Гукасова, В.А.Белякова, В.С.Алексеева, А.В. Панкова, В.И. Касаткина,

14

Э.М. Вольницкой, Ю.Д. Бессонова, С.Л. Драхлиса, В.Т. Гребенникова, A.M. Ко-^ ломийца, В.И. Власюка, Н.В. Соловьева, С.Я. Рябчикова, В.Д. Евсеева,

А.Я. Третьяка, G.B. Ошкордина, А.Н. Давиденко, Н.И. Николаева, О.И. Ка-линиченко и др.

В области теории и практики вскрытия и освоения продуктивных горизонтов изучались вопросы прочности конструкций скважин; создавались средства и методы обеспечения гидродинамической связи скважины с пластом; разрабатывались методы обработки пласта с использованием различных типов воздействий; исследовались условия вскрытия пласта с сохранением его собственной проницаемости; разрабатывались технологии проведе- ния изоляционных работ; совершенствовались методики гидродинамических

исследований в скважинах.

1.2.1. ОСВОЕНИЕ СКВАЖИН НА ВОДУ, СТАДИИ И ОЦЕНКИ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ

Методы вскрытия и обработки пласта являются важной'составной" частью процессов освоения разведочных скважин. Их разрабатывают с учетом очень сложных и разнообразных явлений, возникающих между пластом и Ф скважиной. В зависимости от геолого-физических условий они могут либо

способствовать или наоборот препятствовать установлению между пластом и скважиной устойчивой гидродинамической связи [151].

Анализ и исследования современных способов освоения и восстановления гидрогеологических скважин содержится в работах: Д.Н. Башкатова, А.Д. Башкатова, Г.Т. Овнатанова, В.М. Гаврилко, B.C. Алексеева, Г.П. Квашнина, А.В. Панкова, В.М. Касаткина, В.М. Белякова, Э.М. Вольницкой, Э.М. Романенко, В.Т. Гребенникова, С.Л. Драхлиса, A.M. Коломий-ца, Е.Н Дрягалина, А.Я. Третьяка и др.

™ Обработка пласта начинается с момента его вскрытия. При этом аген-

том обработки служит промывочная жидкость, которая в процессе его разбу-ривания вытесняется в пласт. Методами обработки пласта решается большой

15

круг задач. С их помощью возможно обезопасить фильтрационные способно- сти пласта от потери своих природных свойств, сохранить или восстановить естественную проницаемость продуктивных пород при вскрытии, а при разработке интенсифицировать приток жидкости из продуктивного пласта.

На пласт воздействуют с целью сохранения его естественных свойств и предупреждения потери проницаемости призабойной зоны вследствие увеличения при вскрытии пласта межфазных натяжений, набухания глинистых минералов, содержащихся в продуктивной породе, суффозии, загрязнения призабойной зоны в процессе вскрытия или эксплуатации скважин минеральными осадками и продуктами коррозии (окисью железа и сульфидом), частицами силикатов (илом, глиной, тонкозернистым песком), органическими веществами (бактериальными); выпадения нерастворимых карбонатов и сульфидов в поровых каналах вследствие изменения давления и температуры; смыкания естественных микротрещин и перерождения капиллярных каналов, вызванных обнажением разреза продуктивных пород.

В" [112]" выбор способа освоение скважины рассматривается с учетом конструкции скважин и срока ее службы; способа сооружения скважин; свойств очистного агента, применяемого при сооружении скважин; наличия фильтра и его характеристик; характера и степени кольматации фильтра и профильтровой зоны; гидрогеологических и гидрохимических условий. Показано каким образом эффективность освоения скважины определяется качеством вскрытия пласта. Среди факторов, способствующих эффективному освоению водоносного горизонта, выделены следующие:

- водоносный горизонт обладает высоким напором и представлен устойчивыми породами без пропластков глины, а также крупно- и среднезер-нистыми песками, гравием, галечником;

- при вскрытии водонасосного горизонта не применяется глинистый раствор, вскрытие пласта производится с промывкой водой, аэрированным или полимерными растворами;

16

- фильтр установлен в скважину сразу же по окончании бурения, а про- цесс освоения начинается после установки фильтра;

- фильтр имеет максимально допустимую скважность;

- сохраняется достаточный зазор между стенками скважины и фильтром.

Технологии вскрытия водоносных горизонтов необходимо детально разрабатывать для каждого региона с учетом его геологических и гидрогеологических условий, характеристик продуктивных пластов. С этой целью Д.Н. Башкатовым составлена классификация способов вскрытия водоносных горизонтов в соответствии с их коллекторскими свойствами [38].

К вопросам качественного вскрытия и освоения водоносных пластов неоднократно обращался в своих работах А.Д. Башкатов [25-32]. Им неоднократно отмечено, что определяющим фактором, вызывающим ухудшение проницаемости призабойной зоны скважины, является кольматация. А.Д. Башкатов рассматривает кольматацию на стадии вскрытия продуктивного горизонта, возникающую в результате загрязнения стенок скважины и ближайшей призабойной зоны скважины набухающими частицами, содержащимися в промывочных жидкостях, применяемых при бурении (вскрытии) продуктивного пласта.

В [28] А.Д. Башкатов анализирует результаты измерений (Н.Н. Михайловым) величин потерь напора в глинистой корке. Результаты обобщены (рис. 1.2) в виде зависимости доли перепада давления, приходящейся на глинистую корку, от проницаемости пласта к и общего перепада давления / для необработанного и обработанного КМЦ глинистого раствора.

Под проницаемостью пласта к, контактирующего с глинистой коркой, понимается проницаемость закольматированной зоны. С увеличением проницаемости околоскважинной зоны от 0 до 1 мкм2 растет доля потерь напора в глинистой корке, которая при к = 1 мкм2 составляет около 50 % от общего перепада давления на пласт.

17

Список литературы