Разработка средств и методов повышения надёжности и экологической безопасности при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин
На правах рукописи
МЕЛЬНИКОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДОВ
ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ И
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН
| 05.23.04 | Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов |
| 05.23.19 | Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно – строительный университет
| Научный руководитель: доктор технических наук, профессор | ЮРКИВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ |
| Научный консультант: доктор технических наук, профессор | ДИДЕНКО ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ |
| Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор | МОСКВИЧЕВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно – строительный университет», заведующая кафедрой «Водоснабжение и водоотведение» |
| кандидат технических наук | ДУШКО АРТЕМ ОЛЕГОВИЧ ПКБ ООО «РОСЭКОСТРОЙ», главный инженер |
| Ведущая организация: | ВВ ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт» |
Защита состоится 10 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б ауд. 203).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно–строительный университет».
Автореферат разослан 10 апреля 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета |  | Юрьев Ю.Ю. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность работы. В России за последние 100 лет централизованным водоснабжением были обеспечены почти 99,8% городов и 88% поселков городского типа. Однако на практике высокая централизация систем водоснабжения (единый общегородской водозабор, единая водоочистная станция и т.д.) создает опасность тяжелых последствий при возникновении чрезвычайных ситуаций. В проектах Федеральных законов: «О питьевой воде и питьевом водоснабжении» и «О безопасности водоснабжения», в «Концепции водоснабжения Волгоградской области «Чистая вода» (2009-2020гг.) и других документах предпочтение отдается использованию подземных вод, а там, где используется поверхностный источник, на случай чрезвычайных ситуаций рекомендуется строительство резервного, дополнительного забора подземных вод, который обеспечивает население питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве, снижение риска для здоровья, улучшение уровня жизни населения, и повышение качества предоставления коммунальных услуг.
В настоящее время, резервные водозаборы подземных вод работают в Брянске, Зеленограде, Кемерове, Нижнем Новгороде, Томске, Тюмени и др. Однако, многие крупные города не имеют резервных водоисточников для действующих систем водоснабжения (Барнаул, Новосибирск, Омск и др.), что с точки зрения безопасности недопустимо. Кроме того, там, где резервные водоисточники используются, не решены вопросы обеспечения их безопасного строительства и эксплуатации, обусловленные комплексом физико-химических процессов кольматации происходящих в призабойной зоне водозаборных скважин.
Полностью предотвратить явление кольматации пласта в процессе строительства и эксплуатации скважин невозможно. Поэтому, основным направлением работы стала разработка методов воздействия на призабойную зону максимально сохраняющих (восстанавливающих) её проницаемость. При этом необходимым условием является обеспечение экологической безопасности использования таких технологических жидкостей в системах водоснабжения городских комплексов.
Цель работы: повышение эксплуатационной надежности и экологической безопасности строительства и эксплуатации водозаборных скважин, за счет снижения эффекта кольматации в призабойной зоне.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
- изучение современного состояния инженерно-технического обеспечения эффективности водоснабжения городских комплексов из подземных источников;
- анализ средств и методов обеспечения эксплуатационной надёжности и экологической безопасности водозаборных скважин;
- обобщение закономерностей и обоснование условий моделирования фильтрационных процессов, происходящих в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- установление основных факторов, снижения проницаемости в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- исследование влияния состава и свойств буровых растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин;
- разработка составов буровых растворов, эффективно сохраняющих (восстанавливающих) естественную проницаемость призабойной зоны при строительстве водозаборных скважин и обеспечивающих их дальнейшую безопасную эксплуатацию;
- изучение закономерностей, влияющих на взаимодействие растворов кислот с карбонатной породой пластов призабойной зоны водозаборных скважин;
- разработка эффективных составов кислотных растворов, восстанавливающих проницаемость призабойной зоны и увеличивающих продуктивность водозаборных скважин;
Основная идея работы состоит в повышении эксплуатационной надежности и экологической безопасности систем водоснабжения городских комплексов из подземных источников, путем разработки методов эффективно сохраняющих и восстанавливающих проницаемость призабойных зон водозаборных скважин.
Методы исследования включали: физическое и математическое моделирование изучаемых процессов, лабораторные и экспериментальные исследования свойств применяемых реагентов, пористых сред на установках, моделирующих пластовые условия, обработку полученных результатов методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических методов теоретического анализа, физического и статистического моделирования изучаемых процессов, и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных экспериментальных данных с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- определены закономерности обеспечения эксплуатационной надежности и экологической безопасности водозаборных скважин, за счет сохранения (восстановления) проницаемости в призабойной зоне водозаборных скважин;
- установлены основные факторы снижения проницаемости в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- получены результаты отрицательного влияния глинистых буровых растворов на проницаемость призабойной зоны водозаборных скважин;
- установлена способность биополимерных буровых растворов сохранять проницаемость в призабойной зоне водозаборных скважин;
- выбор фракционного состава и использование качественного закупоривающего материала позволяют предотвратить проникновение фильтрата и раствора в пласт, призабойную зону водозаборных скважин и максимально сохранить её проницаемость;
- впервые установлено, что эффективное сохранение проницаемости в призабойной зоне обеспечивается при использовании ингибирующих биополимерных буровых растворов с добавлением мраморной крошки;
- установлены факторы, определяющие эффективность взаимодействия растворов кислот с карбонатной породой пластов призабойной зоны водозаборных скважин;
- показано, что основным способом повышения эффективности кислотных обработок является применение реагентов, снижающих скорость реакции кислоты с карбонатной породой, что позволяет увеличить глубину проникновения кислотных растворов в призабойную зону водозаборных скважин;
- впервые, установлена способность соляно-кислотных растворов, на основе соляной кислоты, ингибитора и комплексообразователя глубоко проникать в пласт, восстанавливая при этом проницаемость призабойной зоны и продуктивность водозаборных скважин в 3-4 раза.
Практическая значимость работы:
- выполнена оценка современной водохозяйственной обстановки в городах и населенных пунктах, уровня надежности и безопасности источников водоснабжения;
- на основе экспериментальных исследований получены данные о современном состоянии процессов происходящих в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- выполнена экспериментальная оценка влияния различных по составу и свойствам методов на кольматацию пород призабойной зоны водозаборных скважин;
- разработаны рекомендации по выбору и обоснованию методов, повышающих надежность и экологическую безопасность эксплуатации водозаборных скважин.
Реализация результатов работы:
Работа проводилась в соответствии с комплексной Федеральной целевой программой «Экология и природные ресурсы России» (2002 – 2010 г.г.), Федеральной программой «Чистая вода», Федеральной национальной программой «Вода России XXI века», Федеральной Водной стратегией до 2020 года и тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Результаты исследований, включенные в диссертацию, были внедрены: в МУ ГУАОККОПС при оценке экологической безопасности водозаборных скважин, в ООО СП «Волгодэминойл» при подготовке технических заданий для разработки проектов по строительству и ремонту водозаборных скважин и в учебном процессе кафедрой «ПБ и ГЗ» ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно – строительный университет при подготовке инженеров по специальности: «Защита в чрезвычайных ситуациях».
На защиту выносятся:
- научная оценка закономерностей влияния состава и свойств растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин и разработка рекомендаций по её предотвращению или снижению;
- решение проблемы обеспечения надежности и экологической безопасности систем водоснабжения городских комплексов, за счет совершенствования методов строительства и эксплуатации водозаборных скважин, путем разработки составов буровых и промывочных жидкостей, осуществляющих сохранение (восстановление) проницаемости их призабойных зон;
- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность использования ингибирующего биополимерного бурового раствора для экологически безопасного строительства и проведения ремонтно-изоляционных работ водозаборных скважин;
- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность и экологическую безопасность использования соляно-кислотных растворов для восстановления проницаемости призабойных зон и продуктивности водозаборных скважин.
Апробация результатов работы: Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: 43 - НТК ВолгГТУ (Волгоград 2006); III Междунар. НТК «Безопасность. Технологии. Управление». (Тольятти, 2009г.); Качество внутреннего воздуха и окружающей среды (г. Волгоград, 2009г.); Междунар. НК «Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных наук» (Пенза, 2009г.); VI Междунар. НПК «Экологические проблемы современности» (Пенза, 2010г.), VII Междунар. НПК «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2010г.), Ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава ВолгГАСУ (Волгоград, 2009-2011гг.), XI Междунар. НПК «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза, 2011г.), MNPK«Perspectywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2011» (Poland, 2011).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе: 4 изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов, списка используемых литературных источников и приложений. Общий объем диссертации включает 148 страниц основного текста, содержавшего 30 таблиц, 40 рисунков, список используемых источников из 195 наименований и 5 приложений на 28 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, основная идея работы, её научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и использовании результатов проведенных исследований.
В первой главе представлен анализ литературных источников по проблеме повышения надежности и обеспечения экологической безопасности водозаборных скважин: рассмотрены особенности проектирования их строительства и эксплуатации, изучены причины ухудшения эксплуатационных характеристик водозаборных скважин, исследованы закономерности проявления эффекта кольматации призабойных зон и проведено сравнение влияния известных физико-химических методов воздействия на призабойную зону при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин.
Характерная схема водозабора подземных вод, из линейного ряда скважин представлена на рис.1.
Рис. 1. Схема водозабора подземных вод, из линейного ряда водозаборных скважин.
Из анализа её структурных особенностей следует, что надежность обеспечения подачи расчетных объемов воды данной системой водоснабжения определяет стабильность забора воды через отдельные скважины. Каждая из них представляет собой гидравлическую систему, расходные характеристики которой в определяющей мере зависят от проницаемости призабойной зоны. В свою очередь, состояние последних определяют процессы кольматации, существенно влияющие на проницаемость призабойных зон.
Анализ методов борьбы с явлениями кольматации показывает, что традиционно используемые для вскрытия водоносных горизонтов и строительства скважин глинистые буровые растворы приводят к кольматации пласта и снижению продуктивности водозаборных скважин. Основным способом их восстановления является использование кислотных обработок пласта. Однако, кислотному воздействию свойственно быстрое снижение эффективности и малая глубина воздействия, которая может привести к повторной кольматации пласта и призабойной зоны. Характерным решением этой проблемы является применение методов максимально сохраняющих (восстанавливающих) проницаемость призабойных зон. Поэтому, поиск методов, обеспечивающих экологически безопасное строительство и надежную бесперебойную эксплуатацию водозаборных скважин является чрезвычайно актуальным вопросом.
Большой вклад в решение теоретических и практических аспектов повышения надежности и обеспечения экологической безопасности водозаборных скважин внесли отечественные и зарубежные исследователи: Алексеев В.С., Ананьев А.Н., Берданов В.М., Говорова Ж.М., Журба М.Г., Звягинцев Д.Г., Иванов А.П., Клячко В.А., Минц Д.Н., Плотников Н.А., Семенов М.П., Сычев К.И., Талаева Ю.Г., Хенли Э. Дж., Христианова Л.А., Чекалова С.Н., Шуберт С.А., Юркив Н.И. и др. Обобщение полученных ими результатов позволили сформулировать цель, задачи и основные направления исследования настоящей работы.
Вторая глава посвящена моделированию процессов и установлению условий надежной и экологически безопасной эксплуатации водозаборных скважин, на основе влияния состава и свойств буровых растворов и промывочных жидкостей на кольматацию пород их призабойных зон.
В решении проблемы прогнозирования качественного строительства водозаборных скважин и дальнейшей их безопасной эксплуатации, важное место занимает экспериментальная оценка влияния различных факторов (литология и неоднородность коллектора, поверхность пористой среды, химический состав подземных вод, гидрофобные взаимодействия, температура, изменение давления и др.) на проницаемость моделируемой призабойной зоны.
Модель призабойной зоны, в соответствии с требованиями ОСТ 39-195-86, представляет собой составной цилиндрический образец из керна изучаемого объекта. Диаметр единичных образцов 0,026 м, длина 0,03 м, общая длина модели составляет 0,27 м.
Моделирование строительства водозаборной скважины осуществлялось при исследовании динамической фильтрации твердой фазы буровых растворов и их фильтратов в призабойной зоне, установление размера зон их проникновения (её загрязнения) и выбора конкретных рецептур.
По закону Пуайзеля расход жидкости Q через пористую среду составит:
Q =(mR2Fp) (8L), (1)
По закону Дарси расход жидкости через эту же пористую среду составит:
Q =(KFp) (L), (2)
Внедрение фильтрата определяется следующими основными факторами: проницаемостью и толщиной наружной фильтрационной корки; снижением абсолютной проницаемости в зоне, занятой внутренней коркой; глубиной проникновения фильтрата. Влияние этих факторов оценивалось на основе экспериментов с вычислительным обобщением их результатов:
Проницаемость пород призабойных зон, характеризуемая коэффициентом проницаемости, определяли согласно линейному закону фильтрации Дарси:
K = ((Q\)**L)/F, (3)
Влияние различных по составу технологических жидкостей на проницаемость призабойной зоны до воздействия (Кн) и после (Кк), оценивали с помощью коэффициента восстановления проницаемости:
Св(r) = Кк/Кн, (4)
Моделирование процесса эксплуатации водозаборных скважин, включало в себя удаление фильтрационной корки, сформировавшейся на торце образца, с помощью реагентной кислотной обработки.
Для оценки проникающей способности фильтрата бурового раствора (промывочных жидкостей), коэффициента восстановления проницаемости модели призабойной зоны в целом и составляющих её единичных образцов был адаптирован лабораторный комплекс, включающий установку УИПК (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема установки УИПК: 1 – масляный бак, 2 – пресс, 3 – манометр, 4 – масляный распределитель, 5 – 9 емкости для химических реагентов, 10 – устройство распределения реагентов, 11 - кернодержатель.
Исследование влияния различных по составу и свойствам технологических жидкостей на фильтрационно-ёмкостные свойства пород призабойной зоны позволило оценить эффективность строительства и последующую работу водозаборных скважин с учетом проведенных экспериментальных исследований.
В третьей главе представлены результаты обобщения экспериментальных данных влияния различных по составу и свойствам буровых растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин артезианского водоносного горизонта.
В табл.1 представлены результаты исследований влияния традиционных глинистых (1) и обработанных различными реагентами в небольших количествах (НТФ, КМЦ, NaOH, N2CO3, УЩР, КССБ и др.) (2) на коэффициент восстановления проницаемости в призабойной зоне.
Таблица – 1. Результаты влияния традиционных глинистых буровых растворов на коэффициент восстановления проницаемости
| № п/п | Фазовая проницаемость по воде, мД | Коэффициент восстановления проницаемости, Св, доли ед. | |
| Исходная, Кн1 | После возд. бур. р-ра, Кн2 | ||
| 1 | 14,50 | 5,1 | 0,35 |
| 2 | 38,5 | 5,3 | 0,13 |
| 3 | 18,60 | 7,2 | 0,38 |
Из табл. 1, видно, что после воздействия глинистыми буровыми растворами, наблюдается загрязнение призабойной зоны, вследствие её кольматации, а максимальный коэффициент восстановления проницаемости составляет 0,38. Проведенные исследования однозначно доказали их отрицательное воздействие на водоносные пласты.
В последнее время наибольшее распространение получили ингибирующие биополимерные буровые растворы. Их влияние на коэффициент восстановления проницаемости, представлен в табл. 2
Таблица – 2. Влияние ингибирующих биополимерных растворов на коэффициент восстановления проницаемости.
| № п.п | Фазовая проницаемость по воде, мД | Коэффициент восстановления проницаемости, Св, доли ед. | |
| Исходная, Кн1 | После возд. бур. р-ра, Кн2 | ||
| 1 | 26,0 | 18,0 | 0,69 |
| 2 | 24,5 | 15,8 | 0,64 |
| 3 | 23,8 | 16,3 | 0,68 |
Из сравнения коэффициентов восстановления проницаемости кернов видно, что ингибирующий биополимерный буровой раствор оказывает значительно меньшее отрицательное влияние на проницаемость призабойной зоны, чем глинистый буровой раствор. Коэффициенты восстановления проницаемости кернов после его воздействия в 1,8 – 2 раза меньше, чем после воздействия биополимерного раствора.
Учитывая, что степень сохранения (восстановления) проницаемости зависит от количества и глубины проникновения фильтрата в призабойную зону, в связи с этим необходимо максимально ограничивать его проникновение, за счет введения кольматанта. Среди рассмотренных нами кольматантов, наилучшее влияние наблюдалось у мраморной крошки, в количестве не менее 5%. На рис. 3 представлена зависимость коэффициента восстановления проницаемости призабойной зоны при её введении.
Рис. 3. Зависимость коэффициента восстановления проницаемости призабойных зон от содержания мраморной крошки в глинистом (1) и биополимерном (2) растворах.
Из рис. 3 видно, что добавление мраморной крошки позволит в 2 раза увеличить проницаемость ингибирующих биополимерных, в сравнении с глинистыми растворами
На рис. 4 представлены результаты исследований влияния традиционных глинистых (№1), глинистых модифицированных (№3), ингибирующих биополимерных (№2), биополимерных модифицированных глиной (№4) буровых растворов с добавлением мраморной крошки на кольматацию призабойной зоны сеноманского водоносного горизонта.
Рис. 4. Результаты аппроксимации экспериментальных данных изменения объема закачанного бурового раствора от давления: 1 – буровой раствор №1, 2 – буровой раствор №2, 3 – буровой раствор №3, 4 – буровой раствор №4.
Проанализировав результаты экспериментальных исследований по кольматации пород призабойных зон, мы воспользовались программным пакетом Curve Expert 1.4 и установили, что полученные данные лучше всего аппроксимировать экспоненциальной зависимостью. В программе были определены коэффициенты (V0, k) для каждого бурового раствора, а также соответствующие коэффициенты корреляции – R.
Для уточнения коэффициентов воспользовались программой РТС Mathcad 14.0. Нами были найдены следующие коэффициенты для искомых зависимостей:
Для бурового раствора №1 – V1(P) = 0,0416ln(P)+0,356, (5)
Для бурового раствора №2 – V2(P) = 0,025ln(P)+0,2169, (6)
Для бурового раствора №3 – V3(P) = 0,0375ln(P)+0,3287, (7)
Для бурового раствора №4 – V4(P) = 0,0258ln(P)+0,2839, (8)
Отличие полученных аппроксимирующих функций заключается в значении их коэффициентов, которые в свою очередь, зависят от физико-химического состава и свойств влияния анализируемых буровых растворов на пористую среду призабойной зоны водозаборных скважин.
Проверка по критерию Фишера показала их достаточную адекватность:
FpА1 = 5,37; FpВ1 = 12,37 > Fт = 3,1 для р=0,05
FpА2 = 6,12; FpВ2 = 12,87 > Fт = 3,1 для р=0,05
FpА3 = 6,32; FpВ3 = 13,17 > Fт = 3,1 для р=0,05
FpА4 =5,88; FpВ4 = 12,64 > Fт = 3,1 для р=0,05
Коэффициенты корреляции – R1,2,3,4=0,99 достаточно близки к единице, что подтверждает оптимальность полученного решения для функции и параметров.
Как показали результаты экспериментальных исследований, представленные на рис. 4, независимо от изменения давления и исходной проницаемости кернов, при соприкосновении бурового раствора с поверхностью пористой среды в течение 3-7 минут происходила её закупорка, т.е. за это время на торце образца формируется корка из твердой фазы бурового раствора. При этом минимально возможные размеры проникновения в пористую среду (менее 2мм) имел ингибирующий буровой раствор №2, в котором после формирования корки даже при превышении давления более 5,0 МПа поступление фильтрата не наблюдалось, а добавка в безглинистый раствор глины (кривая 4) увеличивает объем кольматации пласта по сравнению с безглинистым раствором.
На рис. 5 представлен график зависимости, полученной расчетным методом, проницаемости кернов от объема фильтрата бурового раствора, который выходил после прокачки бурового раствора через призабойную зону артезианских пластов.
Рис.5. Зависимость изменения проницаемости кернов, от объема фильтрата бурового раствора: 1 – буровой раствор №1, 2 - буровой раствор №2, 3 – буровой раствор №3, 4 – буровой раствор №4.
Как видно из рис. 5, после воздействия ингибирующего биополимерного бурового раствора на торце образца образовалась тонкая непроницаемая фильтрационная корка, препятствующая проникновению фильтрата в пласт, и предотвращающая загрязнение призабойной зоны.
В случае с глинистыми растворами №1 и №3, через образовавшуюся корку (2мм) при перепаде давлений Р 2,0 МПа и выше фильтрат бурового раствора поступал в пористую среду, что свидетельствует о глубоком загрязнении пласта и призабойной зоны. Об этом свидетельствуют результаты исследований влияния глинистых растворов. Так, глинистый раствор без минеральной добавки (кривая 1), кольматирует «основательно» пористую среду, его фильтрат не перестает поступать в пласт даже при проницаемости менее одной сотой доли милидарси, а добавка в глинистый раствор мраморной крошки (кривая 3), уменьшает объем кольматации пористой среды по сравнению с глинистым раствором и замедляет поступление фильтрата в пористую среду.
Определяющим фактором, применения ингибирующих биополимерных буровых растворов с мраморной крошкой для строительства водозаборных скважин, с точки зрения обеспечения экологической безопасности является отсутствие в предлагаемых растворах техногенно - опасных компонентов, все вещества имеют 4 класс опасности. В связи с этим они являются экологически безопасными для окружающей среды.
Четвёртая глава посвящена анализу закономерностей восстановления проницаемости призабойной зоны и повышения продуктивности водозаборных скважин посредством применения соляно-кислотных растворов.
Для выяснения закономерностей и факторов, влияющих на эффективность кислотных обработок были проведены экспериментальные исследования по взаимодействию 12% и 24% раствора соляной кислоты с керновым материалом в поверхностных условиях (при температуре Т = 20 C), представленные на рис. 8.
Рис. 6. Зависимость скорости реакции растворения карбоната от времени:
1 – 24% соляная кислота, 2 – 12 % соляная кислота.
Как видно из рис. 6, скорость реакции 24% соляной кислоты с исследуемой карбонатной породой в первые две минуты выше на 97 %, по сравнению с 12 %, через шесть минут скорость реакции 24% раствора соляной кислоты уже превышает всего на 8%, а в дальнейшем снижается. Основной причиной снижения скорости реакции 24% раствора соляной кислоты является образовавшийся гидроксид кальция, препятствующий подходу активной кислоты к поверхности породы.
Результаты экспериментальных исследований показали, что, на взаимодействие соляной кислоты с естественной породой влияет: концентрация раствора кислоты, температура, присутствие в растворе неорганических соединений.
Для восстановления проницаемости призабойной зоны водозаборных скважин были проведены исследования в пластовых условиях.
На рис. 7 и 8 представлены фотографии образцов керна после воздействия на них 12% и 24% растворов соляных кислот.
Вход Выход Вход Выход
Рис. 7. Фотография образца керна Рис. 8. Фотография образца керна
ОА - 510 (2) на входе и на выходе ОА - 582 (1) на входе и на выходе
после обработки керна 12% раствором после обработки керна 24% раствором
соляной кислоты (масштаб 2:3). соляной кислоты (масштаб 2:3).
Как видно из рис. 7 и 8, в образцы ОА - 510 (2) и ОА - 582 (1) взаимодействие растворов соляной кислоты 12% и 24% практически проходит по поверхности образца. В результате реакции взаимодействия кислоты с породой, образуется гидроксид кальция, двуокись углерода. В раствор переходят многовалентные металлы, в частности двух- и трехвалентное железо, которое закупоривают микро- и макропоры, тем самым приводят к интенсивному возрастанию давления и невозможности закачки кислоты в пласт.
Для предупреждения выпадения гидроксида железа: в пласте в процессе прокачки кислоты по трубам, в кислотный раствор вводили стабилизирующие добавки – комплексообразователи (органические кислоты), которые при определенных условиях могут связывать комплексные соединения, растворимые в воде. Кроме того, органические кислоты существенно снижают скорость реакции раствора соляной кислоты с породой.
Для снижения межфазного натяжения между закачиваемым кислотным раствором с флюидами пласта и пористой средой, для предотвращения образования гидрофобных эмульсий, активного выноса из пласта продуктов реакции, с резким уменьшением гидрофобных взаимодействий в кислотный раствор вводили ингибитор (поверхностно – активное вещество).
На рис. 9 и 10 представлен результат взаимодействия разработанных кислотных растворов: 1) 12% раствором соляной кислоты с добавкой 1% комплексообразователя (органической кислоты) и 0,1 % ингибитора (поверхностно – активного вещества); 2) 24% раствора соляной кислоты с добавкой 1% комплексообразователя (органической кислоты) и 0,1 % ингибитора (поверхностно – активного вещества) с образцами пород призабойной зоны.
Вход Выход Вход Выход
| Рис. 9. Фотография образца керна ОА-509(2) на входе и на выходе после обработки керна 12% раствором соляной кислоты + 1% комплексообра- зователя + 0,1 % ингибитора (масштаб 2:3). | Рис. 10. Фотография образца керна ОА-580(2) на входе и на выходе после обработки керна 24% раствором соляной кислоты + 1% комплексообра-зователя + 0,1 % ингибитора (масштаб 2:3). |
При взаимодействии разработанных соляно-кислотных растворов с пористой средой происходит растворение фильтрационной корки, загрязняющей призабойную зону и глубокое проникновение раствора в пласт сразу по нескольким каналам, что позволяет его более полно их очистить и вывести загрязняющие их отложения, через одно отверстие (рис. 9 и 10).
На рис. 11 представлена зависимость коэффициента восстановления проницаемости пород призабойных зон после обработки пласта традиционной соляной кислотой и разработанными кислотными растворами в зависимости от объема прокачиваемой воды.
Рис. 11. Зависимость восстановления проницаемости пород призабойных зон в зависимости от объема прокачиваемой воды, после обработки пласта: 1 – соляной кислотой; 2 – разработанными соляно- кислотными растворами.
Из рис. 11 видно, что применение разработанных соляно-кислотных растворов позволит в 3-4 раза увеличить фильтрационно-ёмкостные характеристики пород призабойных зон водозаборных скважин, в сравнении с используемой соляно-кислотной обработкой.
На рис. 12 показана зависимость перепада давления от объема прокачанной кислоты.
Рис. 12. Зависимость перепада давления от объема прокачанной: 1 – соляной кислоты, 2- разработанных соляно-кислотных растворов.
Как показали результаты исследования, представленные на рис. 12 закачка раствора соляной кислоты идет при интенсивном возрастании давления, как для 24%, так и 12% концентрации, что значительно повышает опасность возникновения гидроразрыва пород призабойной зоны водозаборных скважин. А закачка разработанных кислотных растворов идет равномерно (порционно), чем обеспечивается высокий уровень экологической безопасности при восстановлении проницаемости призабойной зоны и повышении продуктивности водозаборных скважин.
Анализ стоимости строительства и эксплуатации водозаборных скважин и эксплуатационный эффект от внедрения разработанных методов повышения надежности и экологической безопасности представлены в табл.3.
Таблица – 3. Сравнительный анализ используемых и разработанных методов повышения надежности строительства и эксплуатации водозаборных скважин.
| Наименование | Методы воздействия на ПЗВС | |||
| Назначение | при строительстве | при эксплуатации | ||
| Тип | традицион-ный | разработан-ный | традицион-ный | разработан-ный |
| Вид | ГБР | ИББР | СКО | СКР |
| Стоимость скважины, тыс. руб. | 1700 | 3150 | 2200 | 3000 |
| Стоимость СКО, тыс. руб. | (2200)*3 | - | (2200)*3 | - |
| Общая стоимость скважины, тыс. руб. | 8300 | 3150 | 8800 | 3000 |
| Эксплуатационный эффект, % | 20 | 80 | 25 | 80 |
Из табл. 2 видно, что стоимость строительства водозаборных скважин с использованием глинистых буровых растворов в 2 раза дешевле, чем биополимерных, однако их использование приводит к кольматации призабойной зоны и требуется кислотная обработка для их восстановления. В результате чего стоимость строительства скважины возрастает до 8300 тыс. руб. Аналогично, использование кислотных растворов также приводит к закупорке пласта и стоимость восстановления скважин возрастает до 8800 тыс. руб. А стоимость строительства и эксплуатации водозаборных скважин остается неизменными – 3150 и 3000 тыс. руб. Эксплуатационный эффект от внедрения разработанных методов воздействия на призабойную зону увеличился в 3-4 раза, а частота остановок водозаборных скважин сведена к минимуму.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы повышения надежности и обеспечения экологической безопасности систем водоснабжения городских комплексов, путем разработки составов буровых и промывочных жидкостей, обеспечивающих сохранение (восстановление) проницаемости призабойной зоны водозаборных скважин при их строительстве и эксплуатации. На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также практической реализации можно сделать следующие основные выводы по работе:
1. Проведен анализ основных причинно – следственных связей физико – химических процессов и явлений происходящих в призабойной зоне, приводящих к нарушению эксплуатационных характеристик скважин, который позволил обосновать возможность комплексного решения проблемы сохранения проницаемости путем разработки и совершенствования новых методов, снижающих уровень экологической опасности градостроительных комплексов.
2. Определены основные причины кольматации призабойной зоны скважин и разработаны рекомендации по её снижению или предотвращению;
3. Безотказность водозаборной скважины может быть достигнута выполнением функций герметичности и устойчивости стенок водозаборных скважин, за счет применения буровых растворов сохраняющих (восстанавливающих) естественную проницаемость призабойной зоны.
4. Установлены основные факторы, оказывающие влияние на проницаемость пород призабойных зон, надежность и экологическую безопасность водозаборных скважин – изменение давления в призабойной зоне, состав и свойства бурового раствора и др.
5. Установлена способность безглинистых биополимерных буровых растворов на основе полисахаридных полимеров (крахмал, биополимеры, КМЦ, РАС – R/LV и др.) с добавлением кислоторастворимого кольматанта – карбоната кальция формировать в призабойной зоне изолирующий слой, снижающий отрицательное воздействие промывочной жидкости на коллекторские свойства пород, надежно кольматировать пристенную зону, сохранять естественную проницаемость продуктивных водоносных пластов на 80 %, обеспечивать надежность при строительстве скважин. Все вещества входящие в состав растворов имеют 4 класс опасности. В связи с этим они являются экологически безопасными для окружающей среды.
6. В результате проведенных экспериментальных исследований были определены факторы, влияющие на эффективность взаимодействия растворов кислот с карбонатной породой - концентрация раствора кислоты, температура, присутствие в растворе неорганических соединений и др.
7. Установлена способность соляно-кислотных растворов, на основе соляной кислоты, ингибитора и комплексообразователя глубоко проникать в пласт, растворять многофазные загрязняющие его отложения, в частности гидроксид кальция, многовалентные металлы (двух и трехвалентное железо), эмульсии, восстанавливая при этом фильтрационно-ёмкостные свойства призабойной зоны и обеспечивая при этом необходимый уровень экологической безопасности.
8. Анализ стоимости строительства и эксплуатации водозаборных скважин показал, что наблюдается тенденция к снижению затрат на строительство и эксплуатацию водозаборных скважин в 2,6 и 2,9 раз при использовании разработанных методов. Эксплуатационный эффект увеличился в 3-4 раза, а частота остановок водозаборных скважин сведена к минимуму.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ПЗВП – призабойная зона водозаборных скважин, ГБР – глинистый буровой раствор (традиционный), ИББР – ингибирующий биополимерный буровой раствор, СКО – соляно-кислотная обработка, СКР – соляно-кислотные растворы, К – проницаемость, Кк и Кн - конечная и начальная проницаемость, Св – коэффициент восстановления проницаемости, m – пористость, Q - объемный расход жидкости в единицу времени, м3/сек; – время фильтрации, с; - динамическая вязкость жидкости, н·с/м2; F- площадь фильтрации, м2; - перепад давления фильтрации в призабойной зоне, н/м2; L - длина пористой среды, м.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
Публикации в ведущих рецензируемых научно – технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ
1. Мельникова Т. В. Разработка биополимерных буровых растворов для строительства водозаборных скважин / Т. В. Мельникова, Диденко В.Г., Юркив Н.И. // Водоснабжение и санитарная техника. - 2012. - № 2. - С. 72–75.
2. Мельникова Т. В. Разработка и апробация технологии обеспечения экологической безопасности при строительстве и эксплуатации скважин / В. Г. Диденко, Т. В. Мельникова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. – 2009. - № 14. - С. 102–107.
3. Мельникова Т. В. Обеспечение экологической безопасности строительства и эксплуатации скважин / Т. В. Мельникова [и др.]. // Известия Самарского научного центра РАН. Сер.: Спец. вып. : «Безопасность. Технологии. Управление». – 2008. – Вып. 9. - С. 95–98.
4. Мельникова Т. В. Разработка гелеобразующих составов на основе солей алюминия / С. С. Радченко, Т. В. Мельникова // Известия Волгогр. гос. техн. ун-та. Сер.: Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. – 2006. Вып. 3, № 1. - С. 86–91.
Патенты
5. Пат. 2288181 Российская Федерация, МПК C02F 1/58, B01D 21/01. Способ получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделения фаз / Радченко С. С. [и др.]. - № 2005117496/15 ; заявл. 07.06.2005 ; опубл. 27.11.2006.
Отраслевые издания и материалы конференций
6. Melnikova Т. V. Maintenance of reliability and ecological safety of systems of water supply with artificial replenishment of stocks of underground waters / Т. V. Melnikova // «Perspectywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2011» Volume 52. Budownictwo i architectura: materialy VII Miedzynarodowej naukowi-prakticznej konferencji. / Przemysl: Nayka i studia, 2011. – P. 100-101.
7. Мельникова Т. В. Повышение эксплуатационной надежности и безопасности систем водоснабжения / Т. В. Мельникова // Новые химические технологии: производство и применение – 2011 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - г. Пенза : Приволжс. Дом знаний, 2011. – С. 59 – 63.
8. Мельникова Т. В. Восстановление эксплуатационной способности скважин искусственного пополнения запасов подземных вод / Т. В. Мельникова // Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства (военно-промышленный комплекс, строительство, транспорт, сельское хозяйство): материалы XI Междунар. науч.-практич. конф. – г. Пенза : Приволжс. Дом знаний, 2011. – С. 41 – 44.
9. Мельникова Т. В. Обеспечение экологической безопасности при разработке и эксплуатации сложных технических систем / Т. В. Мельникова, В. Г. Диденко, Н. И. Юркив // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики – 2010. Сер.: Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды : материалы VII Межд. науч.–практ конф., г. Тольятти, 15-18 апр. 2010 г. / Волжс. ун-т им. В. Н. Татищева. – Тольятти : Волжс. ун-т им. В. Н. Татищева, 2010. – С. 359-367.
10. Мельникова Т. В. Обеспечение экологической безопасности при строительстве скважин / Т. В. Мельникова // Экология и жизнь – 2009 : материалы XI Междунар. науч.–практ. конф. / Приволжс. Дом знаний. – Пенза : АНОО Приволжс. Дом знаний, 2009. – С. 77-81.
11. Мельникова Т. В. Рациональный подход к обеспечению экологической безопасности при строительстве скважин / В. Г. Диденко, Т. В. Мельникова // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды – 2009 : материалы VII Междунар. науч. конф., г. Волгоград, 13–17 мая 2009 г. / Волгогр. гос. арх.–строит. ун-т. – Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. – С. 159-163.
12. Мельникова Т. В. Использование ингибирующих биополимерных растворов как подход к рациональному природопользованию при строительстве скважин / Т. В. Мельникова // Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных исследований – 2009 : материалы Междунар. науч. конф. / Пенз. гос. ун-т арх. и стр-ва. – Пенза : ПГУАС, 2009. – С. 48–51.
13. Мельникова Т. В. Применение биополимерных технологий для обеспечения безопасного строительства скважин / Т. В. Мельникова // Новые химические технологии: производство и применение: материалы Междунар. науч. – техн. конф. / Приволжс. Дом знаний. – Пенза, 2009. – С. 39–42.
14. Мельникова Т. В. Повышение эффективности разработки обводнившихся месторождений / Н. И. Юркив, А. Д. Поликарпов, Т. В. Мельникова // Нефтепромысловое дело. – 2009. - № 7. - С. 33-36.
15. Мельникова Т. В. Разработка гелеобразующих составов на основе солей алюминия / С. С. Радченко, Т. В. Мельникова // Наукоемкие химические технологии – 2006 : материалы XI Междунар. науч.–техн. конф., г. Самара, 16–20 окт. 2006 г. / Сам. гос. техн. ун-т. – Самара : СамГТУ, 2006. - С. 208–209.
МЕЛЬНИКОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДОВ
ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ И
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН
| 05.23.04 | Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов |
| 05.23.19 | Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
______________________________________________________________________Подписано в печать 16.04.2012 г. Заказ №____ Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0
Формат 6084 1/16. Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно–строительный университет
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.
Отдел оперативной полиграфии
