bbk 000000

УДК 628.11.004.69

Тесля В. Г.

Реконструкция водозаборных скважин в сельской местности

Аннотация

Рассматриваются мероприятия по реконструкции простаивающих и действующих скважин сельскохозяйственного водоснабжения. Мероприятия включают восстановление производительности скважин реагентными методами, перераспределение притока к фильтру на ранее не задействованные интервалы с помощью специальных устройств, ликвидацию пескования путем установки дополнительного щелевого фильтра из поливинилхлорида. Рекомендации ориентированы в первую очередь на скважины, каптирующие рыхлые водовмещающие отложения.

Ключевые слова

реконструкция , фильтр , подземные воды , водозаборная скважина , восстановление производительности , пескование , дебит

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Доля подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении сельской местности составляет 80–85%. Это предопределяет повышенные требования к качеству и надежности водозаборных скважин. Однако в России скважины сельскохозяйственного водоснабжения не рассматриваются как сооружения, требующие гидрогеологического, гидродинамического и конструктивного обоснования. Обычно это низкокачественные скважины, имеющие небольшой срок службы, низкий удельный дебит, часто выходящие преждевременно из строя из-за пескования или невозможности отбора требуемого количества воды.

Число простаивающих скважин в сельской местности превышает число эксплуатирующихся. Основная доля неработающих скважин приходится на регионы, где подземные питьевые воды приурочены к рыхлым отложениям. В лучшем случае скважины тампонируются, а чаще оставляются без присмотра, являясь источником загрязнения эксплуатируемых водоносных горизонтов. Взамен вышедших из строя скважин сельские администрации заказывают бурение дорогостоящих новых скважин, не задумываясь о возможности ремонта существующих, хотя стоимость мероприятий по восстановлению скважин составляет в среднем 25–30% стоимости новых аналогичных скважин. Во многих регионах восстановление производительности скважин не производится из-за отсутствия специализированных организаций, а буровые фирмы заинтересованы в сооружении новых скважин.

Многие из простаивающих скважин могут быть возвращены к работе после реконструкции, которая подразумевает восстановление производительности и дооборудование. Это же относится и к действующим скважинам, реконструкция которых позволит продлить срок их службы.

Средняя продолжительность эксплуатации скважин сельскохозяйственного водоснабжения, каптирующих рыхлые водовмещающие отложения, составляет 10 лет, что нельзя признать нормальным явлением. Основные причины кроются прежде всего в весьма низком уровне проектирования и сооружения скважин, применении некачественных материалов и технологий. Сюда же входит отсутствие требований со стороны заказчика по достижению определенной производительности новой скважины, а также контроля при ее сооружении. Как правило, скважины размещаются на участках с неутвержденными запасами подземных вод, что позволяет буровикам сдавать заказчику скважину с параметрами «что получилось», а не что должно быть.

Типичная характеристика скважины сельскохозяйственного водоснабжения: производительность 6–16 м³/ч, удельный дебит 0,3–0,6 м³/(ч·м), оборудована сетчатым фильтром из латунной сетки галунного плетения на перфорированном трубчатом каркасе длиной 10 м и диаметром 168–219 мм, установленным впотай или на общей колонне. Фильтры изготавливаются в кустарных условиях, зачастую прямо на месте бурения, применяемые сетки – из тех, что в наличии без учета состава пород пласта. Водоносный горизонт вскрывается с помощью глинистого раствора с неконтролируемыми параметрами. На освоение скважин не затрачивается много усилий, общей практикой является лишь эрлифтная прокачка, причем водоподъемные трубы эрлифта устанавливаются выше фильтра.

При таком освоении скважин частичное разрушение глинистой корки и удаление мелких частиц шлама и водовмещающих пород из прифильтровой зоны достигаются только в верхних интервалах фильтра, тогда как остальная часть фильтра остается неосвоенной. Обусловлено это гидравликой фильтров скважин, в соответствии с которой приток к фильтру неравномерен по его длине и сосредоточивается в части, примыкающей к всасывающему отверстию насоса (эрлифта).

По результатам исследований отечественных и зарубежных специалистов, основная часть притока к фильтру приходится на 10–15% его длины [1–4]. При размещении насоса выше фильтра работают верхние его интервалы. Если насос помещается в отстойнике, то максимальный приток имеет место в нижней части фильтра. При кольматаже работающего интервала фильтра приток не перераспределяется на другие интервалы [4], что чаще обусловлено некачественным освоением скважины при бурении. Но даже в хорошо освоенных фильтрах приток не перераспределяется по длине со временем, поскольку неработающие интервалы также подвержены кольматажу, причиной которого служат аэробные условия, создаваемые в фильтре при эксплуатации скважин.

Скважины сельскохозяйственного водоснабжения из-за некачественного вскрытия водоносного пласта и освоения уже в начале эксплуатации имеют повышенное сопротивление прифильтровой зоны, а непосредственно сетчатый фильтр характеризуется наихудшими гидравлическими свойствами. Вследствие этого при эксплуатации скважин создаются благоприятные условия для быстрого кольматажа фильтра и прифильтровой зоны. Наиболее интенсивно кольматационные процессы протекают на самом нагруженном участке фильтра, где за счет турбулизации потока облегчается доступ кислорода в прифильтровую зону, что активизирует химический и биологический кольматаж. Высокие входные скорости обеспечивают непрерывный подвод питания для микроорганизмов и способствуют механическому кольматажу за счет подтягивания мелких частиц пласта к фильтру. Одновременно интенсифицируются процессы химической и биологической коррозии конструктивных элементов фильтра, усугубляемые электрохимической коррозией в присутствии разноименных металлов. Продукты коррозии вносят существенный вклад в снижение проницаемости фильтра, закупоривая его проходные отверстия.

Роль биологического кольматажа фильтров и прифильтровых зон в нашей стране до настоящего времени недооценена. Результаты исследований, проводимых за рубежом, свидетельствуют о том, что в составе кольматирующих отложений в большинстве случаев продукты биологической деятельности превалируют над химическими осадками [5]. Основной вклад вносят железобактерии и сульфатвосстанавливающие бактерии, хотя наряду с этим фиксируется большое число других видов бактерий. В связи с этим особое внимание уделяется контролю биологической активности в скважинах и своевременному их обеззараживанию.

Зона кольматации фильтра по форме повторяет эпюру входных скоростей и имеет вид перевернутого конуса. В верхней части фильтра размеры зоны могут достигать 20–30 см (для сетчатых фильтров), существенно сокращаясь в ненагруженном интервале. В неработающих частях фильтра кольматант представлен продуктами электрохимической коррозии и отложениями гидроксидов железа, которое практически всегда присутствует в подземных водах. Кислород, необходимый для процессов окисления, диффундирует из воздуха в стволе скважины. Причем со временем за счет роста понижения уровня интенсивность аэрации увеличивается.

В результате кольматационных процессов уже в первые 3–5 лет эксплуатации удельные дебиты скважин падают на 50–70%, из-за чего динамические уровни часто понижаются до всасывающих отверстий насосов, обусловливая их выход из строя. Обычно через 8–12 лет скважины списываются из-за невозможности отбора требуемых объемов воды.

До конца 1980-х годов в России существовала специализированная служба по ремонту скважин сельскохозяйственного водоснабжения – трест «Ремсельбурвод». Имея филиалы во многих регионах России, трест занимался не только традиционной заменой насосов, но и восстановлением производительности скважин различными методами с помощью специализированной техники и оборудования. Для регенерации скважин применялись реагентные и импульсные методы, включающие обработку электрогидроударами, пневмоимпульсами, вибрационными воздействиями. Наибольший эффект достигался при комбинации импульсных и реагентных методов. Пескующие скважины, фильтры которых частично или полностью занесены песком, в большинстве случаев признавались неремонтопригодными и списывались.

С распадом СССР специализированные организации прекратили свое существование, а функции по техническому обслуживанию и ремонту водозаборных скважин в сельской местности перешли к буровым фирмам. Ремонт скважин заключается, главным образом, в замене вышедших из строя погружных насосов и извлечении из забоя упавших насосов. Некоторые организации осуществляют механическую чистку внутренней поверхности
фильтра, свабирование скважин. Единичные фирмы применяют импульсные методы восстановления производительности (пневмоимпульсная и электрогидроударная обработка). Реагентные методы регенерации скважин в сельской местности практически не используются.

Следует отметить, что применительно к сетчатым фильтрам импульсные методы дают кратковременный результат, поскольку малая часть раздробленного кольматанта проходит через сетку при прокачке скважины. Межремонтный период после импульсной обработки не превышает 6–8 месяцев. Более эффективна реагентная обработка, которая обеспечивает растворение кольматанта и наиболее полное его извлечение из прифильтровой зоны. Межремонтный период после реагентной обработки достигает 2–3 лет. Подробное описание применяемых реагентов, технологических приемов обработки дано в специализированной литературе [6]. Использование реагентной обработки скважин сдерживается из-за нежелания буровых организаций заниматься несвойственной для них деятельностью, а также из-за отсутствия специальных установок, реализующих необходимые технологические операции. Тем не менее положительный эффект реагентной обработки и грамотная рекламная кампания могут послужить развитию этого направления, тем более что спрос на такого рода услуги очевиден.

В ОАО «НИИ ВОДГЕО» была разработана концепция облегченной установки для реагентной обработки скважин. Установка предназначена только для проведения технологических операций и не снабжена шасси и грузоподъемным механизмом [7]. Опытный образец такой установки (рис. 1) прошел успешные испытания при обработке более 10 скважин в различных условиях. Установка имеет небольшую массу и размеры, транспортируется на прицепе или в кузове любого грузового автомобиля. Она включает емкость с перегородкой для приготовления раствора порошкообразного реагента объемом 1 м³, химический центробежный насос, эжектор для создания вакуума, узлы распределения реагента и воздуха. Установка комплектуется набором пневматических пакеров для герметизации скважин различных диаметров, универсальным оголовком и гибкими рукавами различных диаметров. Пневматические пакеры с проходным отверстием являются стандартным оборудованием, выпускаемым промышленностью. Разжимаются пакеры с помощью автомобильного компрессора.

Растворы порошкообразных реагентов готовятся в установке и закачиваются в герметизированную скважину химическим насосом, а соляная кислота подается прямо из полиэтиленовых канистр, в которых поставляется, с помощью вакуума, создаваемого в скважине. Установка предназначена для обработки скважин в гидродинамическом режиме с помощью циклического вакуумирования либо циклического отдавливания реагента сжатым воздухом. Нестандартным оборудованием являются только емкость с наклонным днищем, эжектор и оголовок. Такая установка может быть изготовлена в любых мастерских, причем с любыми усовершенствованиями. Строгих требований по ее комплектации стандартным оборудованием не имеется, главное – возможность выполнения необходимых технологических приемов.

Максимальная степень восстановления производительности скважин достигается при обработке на ранних стадиях развития кольматационных процессов. При снижении удельного дебита на 25–30% скважина должна подвергаться профилактической обработке. Однако в сельской местности это практически нереализуемо, поскольку контроль удельных дебитов скважин отсутствует. Необходимость обработки возникает тогда, когда дальнейшая эксплуатация невозможна или неэффективна. В таких случаях обработка скважин городских водозаборов, оборудованных гравийными фильтрами, не обеспечивает 100-процентного результата, в лучшем случае удельный дебит восстанавливается на 60–80% относительно первоначального. Реагентная обработка низкодебитных скважин с сетчатыми фильтрами на поздних стадиях эксплуатации нередко дает результаты, превышающие полученные при бурении. Это обусловлено разрушением (диспергацией) глинистой корки, оставшейся за фильтром в результате некачественного освоения скважины при бурении, и доосвоением скважины при поинтервальной эрлифтной прокачке фильтра, что является обязательной операцией после регенерации скважины.

В максимальной степени восстанавливается проницаемость ненагруженных интервалов фильтра, поскольку осадки в меньшей степени уплотнены и зона их накопления за стенкой фильтра минимальна. Однако при дальнейшей эксплуатации скважины эти интервалы опять не задействуются, так как насос расположен выше фильтра. Темп кольматации работающего верхнего интервала фильтра увеличивается после обработки из-за наличия в прифильтровой зоне нерастворенных осадков.

В связи с этим после регенерации скважин целесообразно нагружать другие, ранее не задействованные интервалы фильтра. Наиболее простым вариантом реализации этого предложения является установка насоса в нижней или средней части фильтра. Обязательное условие при этом – оснащение насоса кожухом охлаждения. Учитывая малый диаметр фильтров скважин сельскохозяйственного водоснабжения, для этой цели могут быть использованы насосы «Grundfos», снабжаемые штатными кожухами охлаждения. Наружный диаметр насосов SP8SP14 с кожухом охлаждения составляет 115 мм, а насосов SP17SP30 – 145 мм в большом диапазоне напоров. Такие насосы могут быть установлены в фильтрах диаметром 168 мм. Охлаждающие кожухи снабжены приемными сетками с большой площадью поверхности, что минимизирует величину локальных скоростей входа воды в фильтр скважины.

Производители погружных насосов не рекомендуют устанавливать их в фильтре скважины, аргументируя это возможностью суффозионного выноса песка при возникновении больших локальных скоростей притока. Однако в правильно подобранных фильтрах такая опасность отсутствует, а что касается низкодебитных скважин, то при отборе, например, 20 м³/ч с двухметрового интервала фильтра диаметром 168 мм входная скорость не превысит 0,05 м/с при скважности фильтра 10%. Такая скорость не вызывает суффозионного выноса песка и допустима при проектировании фильтров скважин [8].

Второй вариант, исключающий установку насоса в фильтре, предусматривает его традиционный монтаж, но с модернизированным кожухом охлаждения. Вместо приемной сетки к кожуху приваривается резьба для присоединения к колонне труб из ПВХ, нижний конец которой заканчивается в нужном интервале фильтра (рис. 2). Легкие трубы из ПВХ с раструбными резьбовыми соединениями выпускаются в России в качестве обсадных колонн скважин. Если фильтр диаметром 168 мм установлен впотай, этот вариант допускает применение и отечественных насосов типа ЭЦВ6, охлаждающий кожух для которых может быть изготовлен на любом производстве. Рекомендуемые диаметры приемной колонны труб – 90–125 мм. При расходах до 25 м³/ч скорость потока в трубе меньшего диаметра не превысит 1,5 м/с.

С целью снижения локальных входных скоростей потока целесообразно в нижней части приемной трубы установить щелевой фильтр из ПВХ с щелью 1–1,5 мм с заглушенным концом. Длина перфорированного участка не должна превышать 2–3 м, что соответствует величине интервала максимального водопритока. Это в свою очередь будет способствовать выравниванию эпюры входных скоростей в работающем интервале фильтра.

Вне зависимости от места расположения приемной трубы насоса приток к фильтру будет локализован в примыкающем к ней интервале. Величина интервала максимального водопритока не превышает 2–3 м. Поэтому для вовлечения в работу других участков фильтра потребуется перемещение насоса либо его приемной трубы на следующий интервал. Шаг перемещения не должен превышать 3 м. Периодичность смены работающего интервала фильтра зависит от многих факторов, определяющих интенсивность кольматационных процессов, и в идеальном случае должна обосновываться снижением удельного дебита скважины на 20–25%. В общем случае в скважинах после регенерации эту процедуру целесообразно выполнять раз в полгода. Число точек расположения приемной трубы насоса для фильтра длиной 10 м равно 3, а через 1,5–2 года скважину необходимо повторно обработать «мягким» порошкообразным реагентом, например сульфаминовой кислотой.

Эти рекомендации относятся и к новым скважинам с той лишь разницей, что периодичность перемещения всасывающей трубы насоса на новый интервал может составить 1–1,5 года. Обязательным условием для этого является качественное освоение всей длины фильтра при сооружении скважины. Во всех случаях необходимо контролировать динамический уровень, который должен располагаться выше насоса при его расположении над фильтром и выше фильтра при размещении насоса внутри него.

Важно подчеркнуть, что приведенные рекомендации применимы для непескующих скважин. Как правило, новые скважины с сетчатыми фильтрами пескуют редко, но пескование может проявиться в процессе эксплуатации за счет коррозионного разрушения сетки. В ряде случаев пескование является следствием импульсной или реагентной обработки скважины, когда ослабленная коррозией сетка разрушается на отдельных участках. Практически всегда коррозионные участки приурочены к верхним, наиболее нагруженным, интервалам фильтра. Интенсивность пескования нарастает во времени вследствие абразивного увеличения размеров отверстий, пропускающих песок. Если этот процесс не остановить вовремя, пескование приведет к фатальному заносу всего фильтра.

Остановка пескования на ранних стадиях его проявления возможна путем выключения из работы верхних интервалов фильтра с помощью приведенных выше мероприятий, однако такая возможность предварительно должна быть доказана путем эрлифтной прокачки нижних интервалов фильтра. Эрлифтная откачка должна выполняться с использованием отдельной водоподъемной колонны, а не по стволу скважины, что обычно практикуется буровиками. Если выключение из работы верхнего интервала фильтра не дает ожидаемых результатов, единственной возможностью дальнейшей эксплуатации пескующей скважины остается монтаж дополнительного фильтра.

Для этой цели лучше использовать щелевые фильтры из ПВХ с шириной щели 0,3–0,5 мм, выпускаемые ООО «Пластиковые трубопроводы», или их импортные аналоги. Фильтры с указанным размером щелей применимы для большинства гидрогеологических условий, поскольку обеспечивают задержание мелкозернистого песка с d₅₀ = 0,10,2 мм. Тем не менее выбор размера щели h должен быть обоснован анализом гранулометрического состава выносимого песка с использованием критерия h =d₅₀d₇₀в зависимости от коэффициента неоднородности песка [8]. Дополнительный фильтр с отстойником соответствующей длины целесообразно устанавливать впотай. Низ отстойника должен быть заглушен.

В первую очередь в скважине должна быть ликвидирована песчаная пробка. Наилучший способ – эрлифтная чистка без создания понижения уровня в скважине для исключения притока из пласта. Это достигается циркуляцией откачиваемого объема через промежуточную емкость. В освобожденный от песка существующий фильтр опускается щелевой фильтр на колонне буровых труб с левым переходником. Верх нового фильтра снабжается металлическим патрубком, на котором фиксируются пеньковый или резино-металлический сальник, муфта с левой резьбой и направляющий конус. Диаметр щелевого фильтра 125 или 165 мм для фильтров соответственно 168 и 219 мм.

После установки щелевого фильтра обязательной операцией является реагентная обработка прифильтровой зоны и сетчатого фильтра с последующей поинтервальной эрлифтной прокачкой нового фильтра. Шаг перемещения водоподъемной колонны эрлифта составляет 1 м. В скважинах с низким положением статического уровня эрлифтная откачка должна сопровождаться доливом воды для обеспечения оптимального коэффициента загрузки эрлифта. Импульсные методы в щелевых фильтрах неприменимы из-за хрупкости ПВХ.

Важно помнить, что после любого вмешательства в скважину требуется обеззараживание ее ствола и водоподъемного оборудования. Обеззараживание целесообразно выполнять после установки насоса путем закачки в скважину раствора гипохлорита натрия или кальция с концентрацией 100–150 мг/дм³ по активному хлору. Время выдержки раствора 8–12 ч. Сброс первых порций хлорной воды, как и остаточного реагента после регенерации, должен осуществляться в автоцистерну с последующим вывозом в места размещения отходов.

В скважинах с новым фильтром диаметром 125 мм насос устанавливается в обсадной колонне, а при необходимости перераспределения водопритока на другие интервалы фильтра в качестве всасывающего патрубка насоса могут быть использованы трубы из ПВХ диаметром 90 мм. Работы по реконструкции скважин выполняются специализированными организациями, которые в дальнейшем должны брать на себя их сервисное обслуживание.

Безусловно, скважины с фильтрами, имеющими тройную фильтрующую поверхность (сетка – трубчатый каркас – щелевой фильтр), обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, однако они способны подавать воду без песка с дебитом 10–15 м³/ч, что в большинстве случаев удовлетворит нужды сельского потребителя.

Выводы

Подземные воды являются основным источником водоснабжения в сельской местности, однако их забор сопряжен с большими материальными затратами из-за низкого качества сооружаемых скважин. Низкий срок службы скважин, частый преждевременный их выход из строя вынуждает бурить новые скважины, увеличивая число простаивающих. Часть неработающих скважин может быть возвращена к эксплуатации с помощью реконструкции, затраты на которую составляют в среднем 25–30% стоимости аналогичной новой скважины.

Реконструкция скважин предусматривает комплекс мероприятий, включающий восстановление производительности, ликвидацию пескования, повышение эффективности работы фильтра за счет перераспределения притока по его длине. Это позволит продлить срок службы действующих скважин и снизить затраты на подъем воды. Рекомендации ориентированы в первую очередь на низкодебитные скважины сельскохозяйственного водоснабжения, но могут быть полезны и для скважин городских водозаборов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грикевич Э. А. Гидравлика водозаборных скважин. – М.: Недра, 1986.
2. Ehrhardt G., Pelzer R. Wirkung von Saugstromsteue¬rungen in Brunnen // BBR. 1992. № 43 (10).
3. Nuzman C. E. Well Hydraulic Flow Concept. Recent Advances in Ground Water Hydrology. – American Institute of Hydrology, 1989.
4. Алексеев В. С. Влияние неравномерности нагрузки фильтров на приток к скважине // Водоснабжение и сан. Техника. 2008. № 8.
5. Cullimore R. Microbiology of well biofouling. – Lewis Publishers, 2000.
6. Алексеев В. С., Гребенников В. Т. Восстановление дебита водозаборных скважин. – М.: Агропромиздат, 1987.
7. Александров В. А., Тесля В. Г. Установка для реагентной регенерации водозаборных скважин / Водоснабжение, водоотведение, гидротехника и инженерная гидрогеоэкология. – М., 2007.
8. Алексеев В. С., Тесля В. Г. Критерии проектирования фильтров водозаборных скважин // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 11.