bbk 000000

УДК 628.112.22:628.147.22

Кармалов А. И., Филимонова С. В.

Методы борьбы с последствиями кольматации и коррозии оборудования водозаборных скважин

Аннотация

Основными проблемами, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации водозаборных скважин, являются коррозия водоподъемного оборудования и развитие кольматационных процессов в фильтрах и прифильтровых зонах водоносных горизонтов и, как следствие, снижение производительности. Одним из наиболее приемлемых вариантов решения данной проблемы является использование стеклопластиковых труб и полимерных фильтров. Рассмотрен опыт применения современных некоррозионных материалов, регенерации скважин реагентным методом, позволяющим увеличить их производительность и продлить срок эксплуатации.

Ключевые слова

артезианская скважина , кольматация , гидрогеохимические условия , некоррозионные материалы , химический метод регенерации

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

На водозаборных скважинах довольно часто наблюдается коррозия обсадных колонн и фильтров и, как следствие, выход их из строя. Консервация и тампонаж скважин крайне нежелательны, так как эти элементы системы централизованного водоснабжения являются первым звеном в обеспечении бесперебойной подачи питьевой воды потребителям и относятся к особо важным объектам жизнеобеспечения городов и иных поселений. С точки зрения экономической эффективности одним из наиболее приемлемых вариантов решения данной проблемы для ОАО «Северский водоканал» стал переход к стеклопластиковым трубам и полимерным фильтрам.

С 1997 г. ОАО «Северский водоканал» для восстановления действующих скважин успешно применяет полимерные фильтры, а в последнее время и коррозионно-стойкие стеклопластиковые водоподъемные трубы (рис. 1).

Стеклопластик представляет собой композитный конструкционный материал, сочетающий высокую прочность с относительно небольшой плотностью. В разных отраслях промышленности он успешно конкурирует с традиционными материалами – металлами и их сплавами, бетоном, стеклом, керамикой, деревом. Мировым лидером в производстве и потреблении изделий из композитных материалов являются США, где их промышленное производство было налажено еще в 1944 г. В СССР фильтры из стеклопластиковых труб впервые использованы в 1963 г. [1].

Основные преимущества композитных труб по сравнению с металлическими: высокая коррозионная стойкость, инертность практически в любых агрессивных средах; небольшая плотность (в 4 раза легче стали); стойкость к образованию внутри трубы твердых отложений; не электропроводны, не требуют электрохимической защиты от воздействия блуждающих токов; стойкость к грибкам и микроорганизмам; возможность монтажа и демонтажа при температуре от –50 до +70°C.

В качестве примера рассмотрим артезианскую скважину № 16 водозабора № 1 г. Северска, пробуренную в 1976 г. До 1995 г. дебит скважины составлял 75–65 м³/ч (рекомендованный дебит 75 м³/ч). С октября 2000 г. артезианская скважина запесковала: при дебите 60 м³/ч количество песка в воде составляло 20–50 г/л. Фактически скважина была выведена из эксплуатации. На рис. 2 представлен разрез и техническая характеристика скважины № 16, а также схема размещения внутри колонны дополнительного полимерного фильтра. Полимерный фильтр в разрезе представлен на рис. 3. Изменение дебита скважины до и после установки дополнительного фильтра приведено на рис. 4.

После установки полимерного фильтра артезианская скважина № 16 на протяжении 10 лет работает стабильно с среднегодовым дебитом 60–65 м³/ч (удельный дебит 1,51 л/с). В 2010 г. на скважине установлена стеклопластиковая водоподъемная колонна диаметром 100 мм. Всего на водозаборах г. Северска в течение 13 лет установлено 17 полимерных фильтров (таблица).

Положительный опыт эксплуатации полимерных фильтров в восстановленных скважинах позволил в 2002 г. пробурить новую артезианскую скважину № 22, оборудованную полимерной фильтровой колонной диаметром 325 мм. Скважина работает бесперебойно на протяжении 9 лет с дебитом 120 м³/ч, удельный дебит
составляет 3,8 л/с.

При эксплуатации водозаборных скважин, помимо коррозии, достаточно часто приходится сталкиваться со снижением их удельной производительности. Причины снижения дебита различны и зависят от структуры водоносных пород, химического состава подземных вод, типа фильтра, интенсивности водоотбора и времени эксплуатации. На практике при отсутствии сработки запасов подземных вод основными причинами снижения дебита являются: кольматация фильтров, гравийной обсыпки, прифильтровой зоны пластов и неизбежное снижение водоотбора из-за пескования.

При кольматации снижается активная пористость грунта, увеличивается скорость фильтрации, возникает турбулизация потока, что приводит к интенсификации суффозии. При невозможности стабилизации и прекращения выноса песка пескование приводит к необратимым процессам, связанным со снижением эксплуатационных характеристик, и прежде всего – к снижению удельной производительности скважины.

Артезианские скважины водозаборов Северского месторождения подземных вод эксплуатируются на протяжении длительного периода. Наиболее сильно суффозия проявляется в скважинах, эксплуатируемых 50–60 лет. Часто причиной пескования может служить просадка гравийной обсыпки фильтровой колонны. В процессе длительной эксплуатации в гравийной обсыпке происходит вынос мелкой фракции, и вокруг фильтра остается только ее крупная часть со значительным объемом межфракционных пустот. В результате просадки гравия часть фильтра оказывается без обсыпки, что приводит к интенсивному пескованию. Также этому может способствовать неудовлетворительное техническое состояние самой фильтровой колонны (развитие коррозионных процессов).

При эксплуатации подземного водозабора г. Северска после ряда экспериментов по декольматации был выбран эффективный метод доведения дебита скважины до первоначального значения – химический способ в различных вариантах.

Применение химического метода требует от персонала достаточного опыта работы на скважинах различного типа, а также наличия специального оборудования. Вопросы обеспечения устойчивой эксплуатации скважин при проявлении суффозии и кольматации более подробно рассмотрены в [2].

В то же время выгода эксплуатирующих организаций и организаций-заказчиков при применении данного метода регенерации очевидна: нет необходимости в получении лицензии на эксплуатацию недр; исключаются затраты на строительство павильона, прокладку контрольных и электросиловых кабелей, а также наружных сетей водопровода.

При устранении пескования увеличивается ресурс водоподъемного оборудования благодаря предотвращению абразивного воздействия песка. Кроме того, регенерация и устранение пескования позволяют в более короткий срок снизить дефицит воды в населенных пунктах в сравнении с новым бурением скважин.

При описании преимуществ регенерации стоит обратить внимание на проблему, возникающую при интенсивной обработке старых скважин, имеющих водоносную породу в виде песков различной крупности или конструкцию с сальниками (широко применялась в 1950–1960-е годы). Кислота и другие реагенты вызывают разрушение изношенных стенок фильтровых труб и сальниковой набивки. Часто после обработки скважину приходилось тампонировать из-за интенсивного пескования или завала забоя песком.

В связи с этим специалисты ОАО «Северский водоканал» применяют для регенерации ингибированную соляную кислоту определенных марок. В качестве ингибитора используется формальдегид (СанПиН 2.1.4.2652-10). Количество кислоты зависит от концентрации, объема рабочей части фильтра и отстойника, толщины гравийной обсыпки, предполагаемого состояния кольматанта, который может быть пастообразным, рыхло-пористым, слабо или прочно сцементированным и иметь различный химико-минералогический состав. Все это определяется в процессе диагностирования. Кроме соляной кислоты могут применяться и другие реагенты, в частности порошкообразные, которые менее опасны в обращении, но также эффективны. Если структура кольматанта прочно сцементирована, то целесообразно производить нагрев реагента в стволе фильтра с помощью скважинного нагревателя. Этот способ, именуемый термореагентным, более трудоемкий, но позволяет возродить практически безводные скважины. Таким методом специалисты ОАО «Северский водоканал» восстановили более 25% артезианских скважин Северского месторождения. Все восстановленные скважины работают с дебитом, близким к первоначальному.

Химические методы регенерации успешно применяются на артезианских скважинах, используемых для сельскохозяйственного и технического водоснабжения. Таким образом в 2010 г. были восстановлены две артезианские скважины животноводческого комплекса. Срок эксплуатации скважин превышал 25 лет, дебит на момент обращения был нулевым, обе скважины выведены из работы в 2005 г. В рамках регенерационных работ выполнен декольматаж скважин, произведена реагентная обработка, выполнена эрлифтная прокачка этих скважин. Артезианская скважина № 1 запущена в эксплуатацию с дебитом 30 м³/ч, скважина № 2 – с дебитом 60 м³/ч. Обе скважины стабильно работают.

Выводы

ОАО «Северский водоканал» успешно эксплуатирует артезианские скважины (возрастом до 60 лет) для нужд водоснабжения благодаря использованию современных некоррозионных материалов. Проблема снижения удельной производительности скважин в результате развития процессов кольматажа и суффозии успешно решается в большинстве случаев проведением реагентной регенерации, что также позволяет продлить срок эксплуатации скважин в 1,5–2 раза и устранить периодически возникающий дефицит воды в населенных пунктах.

Список цитируемой литературы

1. Гаврилко В. Н., Алексеев В. С. Фильтры из стеклопластиковых труб // Водоснабжение и сан. техника. 1966. № 11.
2. Гаврилко В. Н., Алексеев В. С. Фильтры буровых скважин. – М.: Недра, 1976.