Обґрунтування параметрів хімічної регенерації водозабірних свердловин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Одним з найбільш реальних напрямків розв'язання проблеми забезпечення населення якісною питною водою є інтенсифікація використання ресурсів підземних вод, які вирізняються високими показниками якості. В межах України водоносні горизонти, що містять воду питної якості, залягають на відносно великих глибинах, тому основними спорудами, які використовуються для забору води з них, є водозабірні свердловини. Разом з тим практика показує, що багато свердловин працюють не досить ефективно: вони замулюються, заповнюються піском, отвори в фільтрі та прифільтрова ділянка заростають різними мінеральними та хімічними сполуками, фільтри нерідко піддаються впливу корозії або руйнуються з інших причин. Все це призводить до зниження продуктивності і виходу свердловини з ладу.

В умовах постійного росту витрат на будівництво трубчатих колодязів і свердловин все більшої актуальності набуває розробка нових, заснованих на передових наукових рішеннях і підходах, технологій підвищення фондовіддачі діючих споруд за рахунок забезпечення стабільності їх продуктивності в часі.

В межах України, а також в більшості країн СНД, для відновлення дебіту свердловин використовуються різні методи (як механічного, так і хімічного характеру). Не дивлячись на значну кількість проведених в даній сфері досліджень, існуючі методики розрахунку параметрів декольматації свердловин хімічними методами (зокрема методом реагентної ванни) недосконалі, бо не враховують цілу низку важливих факторів, а отже не дозволяють в повному об'ємі і надійно обґрунтувати технологічні параметри регенерації. Тому дослідження процесів очищення свердловин від кольматуючого осаду з метою розробки більш надійних розрахункових методів і підвищення ефективності обробок все ще залишається актуальною науковою і господарською проблемою.

Окреслена низка невирішених питань має важливе народногосподарське значення для України, свідчить про актуальність проблеми, пов'язаної з покращенням постачання населених пунктів питною водою.

Мета і задачі досліджень.

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні і розробці більш надійних методів розрахунку і контролю технологічних параметрів регенерації робочих частин свердловин водопостачання в умовах взаємодії реагента з кольматуючими фільтр і прифільтрову зону хімічними відкладеннями.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

висвітлити процеси утворення кольматанта свердловин і умови формування його хімічного складу;

виконати аналіз теоретичних положень і експериментальних даних в сфері регенерації водозабірних свердловин хімічними методами;

оцінити вплив температурного фактору на процес регенерації і дослідити зміну значень температурного поля присвердловинної зони в часі при застосуванні різних технологій нагрівання реагентного розчину;

розробити математичні моделі регенерації водоприймальної частини трубчатих колодязів способом реагентної ванни в умовах стаціонарного і нестаціонарного температурного поля прифільтрової зони;

розробити рекомендації по визначенню вихідних параметрів запропонованих моделей;

оцінити вплив різних факторів і явищ на протікання процесу відновлення продуктивності свердловини;

на основі наукового аналізу побудованих моделей з залученням існуючих дослідних даних розробити методики та рекомендації для інженерного розрахунку технологічних параметрів регенерації свердловин способом реагентної ванни.

1. Процеси хімічної кольматації робочої частини свердловини (умови утворення осаду, хімічний та мінералогічний склад кольматанта, та ін.)

Звернено увагу на те, що в межах України робочі зони свердловин кольматуються переважно сполуками заліза, основними з яких є Fe(OH)3, Fe2O3, FeCO3 і FeS, та сполуками кальцію і магнію у вигляді CaCO3 і MgCO3. Виявлено існування цілого ряду інших хімічних елементів ( Al, P, Si, Mn), сполуки яких зустрічаються в більшості зразків і за певних гідрогеологічних умов справляють значний вплив на інтенсивність утворення осаду.

У зв'язку з наявністю значної кількістю причин, що призводять до зменшення продуктивності свердловин, на даний час вченими (Алексєєв В.С., Гаврилко В.М., Гребенніков В.Т., Коммунар Г.Н., Прокопчук І.Т., Вольницька Е.М., Романенко В.О. та ін.) розроблено чимало методів їх ремонту та регенерації. В даному розділі виконано ґрунтовний аналіз існуючих технічних методів декольматації свердловин, висвітлено їх переваги та недоліки. Так як регенерація водозабірних свердловин найбільш ефективно і економічно здійснюється реагентними методами, то значна увага приділяється розгляду реагентів, що використовуються для хімічної регенерації фільтрів та прифільтрових зон.

Розглядаються існуючі математичні моделі (Верігін М.М., Гаврилко В.М., Тугай А.М., Олійник О.Я.), що описують фізико-хімічні процеси при декольматації свердловин методом реагентної ванни, як одного з найпоширеніших в практиці і найперспективніших хімічних методів. Зокрема детально розглядається модель А.М.Тугая, як одна з найдосконаліших і повних на даний час. Показано, що розроблені моделі не враховують такі важливі фактори, як багатокомпонентність кольматуючого осаду, нерівномірність відкладення кольматанта в межах прифільтрової зони свердловини та інші. Крім того, жодна з розглянутих моделей не дозволяє визначити параметри процесу декольматації при проведенні термореагентних обробок закольматованих прифільтрових зон.

На основі критичного аналізу низки вищерозглянутих питань з точки зору їх дослідженості на даний час робляться висновки та формулюються мета і задачі досліджень за темою дисертації.

2. Комплекс питань стосовно регенерації водозабірних свердловин по методу реагентної ванни

Для оцінки кінетики розчинення кольматанта та визначення необхідної кількості реагента важливе значення має інформація про перерозподіл сольових відкладень в об'ємі прифільтрової зони. Дані розкриття прифільтрових зон деяких свердловин свідчать про те, що для адекватної оцінки структури закольматованої зони достатньо врахувати лише її радіальну неоднорідність. На основі аналізу даних літературних джерел пропонується прифільтрову зону умовно розділити на дві ділянки:

1. Прилегла до фільтра ділянка товщиною , де величина насичення пор кольматантом досягла граничного значення А. В межах даної ділянки величина об'ємної концентрації кольматанта матиме значення:

(1)

2. Інша частина закольматованої зони з межами , де залежність концентрації кольматанта може бути описана за допомогою експоненціальної функції вигляду:

(2)

де коефіцієнти рівняння Аі і Ві визначаються:

(3)

де - максимальна об'ємна концентрація осаду на відстані r від осі свердловини перед проведенням першого етапу обробки; no - початкова пористість грунта (гравійної обсипки); rc - радіус каркасу фільтра, м; R - радіус зони кольматації, м.

Варто прийняти до уваги, що на межі зони кольматації концентрація кольматанта з достатньою точністю може бути визначена за формулою:

(4)

де р=0,35..0,9 %; - щільність осаду, кг/м3; Gгр - щільність породи водоносного шару (гравійної обсипки), кг/м3.

(5)

- середня величина максимальної об'ємної концентрації осаду в межах прифільтрової зони перед проведенням першого етапу обробки.

Відомі математичні моделі реалізовані за умови, що осад представлений лише одним компонентом (зазвичай це залізо), що не зовсім відповідає дійсності. Оскільки в реальних умовах кольматант завжди є багатокомпонентним, то для визначення кількості солей кольматанта, розчинених в реагенті за час регенерації t, введено величину приведеної концентрації Спр. По суті величина Спр вказує загальну масу всіх сполук, що розчинені в одиниці об'єму реагента на час регенерації t.

При побудові математичних моделей регенерації свердловини слід звернути увагу на те, що осад знаходиться і на внутрішніх стінках ствола свердловини і в порах прифільтрової зони. Процес розчинення осаду, що знаходиться всередині свердловини, може бути описаний наступною системою рівнянь: рівняння динаміки зміни маси кольматанта m на поверхні фільтра (6) та рівняння динаміки насичення розчину реагента солями кольматанта (7):

(6)

(7)

при наступних початкових і граничних умовах

, , ; , , ;

де D - коефіцієнт молекулярної дифузії реагентного розчину, м2/год; Спр(r,t) - концентрація солей в реагенті в час регенерації t на відстані r від осі свердловини, кг/м3; Сmnp - концентрація насичення реагента солями кольматанта, кг/м3; F - площа поверхні розчинення, м2; Со - початкова концентрація кольматанта в реагенті, кг/м3; - поточне і початкове значення маси кольматанта на фільтрі перед проведенням регенерації, кг.

,

де hф - висота фільтра, що регенерується, м; ; і - відповідно поточне і початкове значення товщини кольматанта на внутрішніх стінках свердловини, м.

При вирішенні системи (6)-(7) отримані залежності для визначення величини концентраціїї кольматанта в реагентному розчині та зміни товщини сольових відкладень на внутрішній поверхні фільтра у наступному вигляді:

(8)

(9)

Математична модель декольматації прифільтрової зони з урахуванням приведеного вище аналізу достатньо обґрунтовано може бути сформульована у вигляді наступної системи рівнянь:

(10)

(11)

де - коефіцієнт швидкості розчинення кольматанта, м/с; Vз.і - об'єм і-тої концентричної ділянки прифільтрової зони, м3; - об'ємна концентрація кольматанта на відстані r від осі свердловини на початку к-того етапу обробки; - об'єм реагента, що знаходиться на відстані r на к-тому етапі обробки, м3.

Вирішивши систему рівнянь (10)-(11) при наступних початкових умовах і виконавши ряд перетворень, одержимо залежність вигляду:

 (12)

де:

,

d0 і - початкові діаметр часток грунта і питома поверхня часток відповідно.

Рівняння кінетики насичення реагента солями кольматанта запишеться як:

(13)

Реалізована математична модель декольматації прифільтрової зони на відміну від аналогів враховує такі важливі фактори, як нерівномірність відкладення осаду в межах зони кольматації та багатокомпонентність кольматанта.

3. Ґрунтовний аналіз впливу температурного фактору на процес розчинення кольматанта свердловин

При проведенні термореагентних обробок температура розчину не є постійною і в умовах присвердловинної зони з часом суттєво змінюється. Як наслідок, знижується швидкість розчинення осаду, що потребує врахування даного фактору при побудові моделей обмінної кінетики. При регенерації свердловини за допомогою термореагентної технології обробки модель, що описує процес декольматації, буде включати три основні рівняння:

1. рівняння динаміки зміни теплового поля реагента;

2. рівняння матеріального балансу речовини;

3. рівняння кінетики розчинення кольматанта.

Оскільки термодинамічні характеристики реагента практично не залежить від величини його насиченості кольматантом, то рівняння 1 може бути вирішено окремо. Процеси розповсюдження тепла в прифільтровій зоні свердловини можуть бути описані на основі рішення загального диференційного рівняння теплопровідності Фур'є при застосуванні відповідних початкових і граничних умов, що фіксують технологічні особливості застосовуваного методу нагрівання реагентного розчину. Результати виконаних розрахунків дозволяють записати рівняння для визначення характеристик температурного поля реагента при застосуванні конкретного методу нагрівання розчину у наступному вигляді:

- при застосуванні електричного нагрівача (ТЕНа):

(14)

де а - температуропроводність середовища, м2/год; Тн -температура поверхні нагрівача, К; То -початкова температура середовища, К; rн - радіус корпуса нагрівача, м.

- при застосуванні хімічного нагрівача:

(15)

де:

;

- тепловий ефект реакції, Дж/моль; - мольна маса нагріваючого агента, кг/моль; - інтенсивність введення нагрівача, кг/с; - теплопровідність породи, Вт/м*К; - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2*К; mр.св- маса рідини в стволі свердловини, кг; ср-теплоємність реагента, Дж/кг* К.

- при застосуванні електролізера спеціальної конструкції:

(16)

де:

(17)

Тзак - температура реагента після його закачування, К; і - відповідно щільність реагента і породи прифільтрової зони, кг/м3; і - відповідно питома теплоємність породи і реагентного розчину, Дж/К*кг.

- при застосуванні методу, який передбачає нагрівання реагента на денній поверхні з наступною його подачею до свердловини, процес охолодження реагента в прифільтровій зоні свердловини буде описуватись вищеприведеними залежностями (16)-(17). При цьому слід враховувати, що протягом закачування реагентний розчин значною мірою охолоджується, що потребує надання йому надлишку теплової енергії.

За результатами проведених досліджень встановлено недоліки та переваги кожного з методів нагрівання при їх застосуванні в конкретних технологічних і гідрогеологічних умовах.

Процес розчинення кольматуючого осаду в умовах термореагентної обробки свердловини ускладнюється тим фактором, що температурне поле середовища змінюється в часі, а отже основна величина, що контролює процес відведення відпрацьованого реагента від поверхні контакту, - коефіцієнт молекулярної дифузії D, не матиме постійного значення. Залежність значення коефіцієнта D від температури розчину при застосуванні ТЕНа встановлюється на основі відомого рівняння Стокса-Ейнштейна, яке при використанні рівняння (14) може бути записано наступним чином:

(18)

де Аі і Ві - сталі коефіцієнти, що залежать від виду реагента та його концентрації; і - відповідно коефіцієнт дифузії і коефіцієнт динамічної в'язкості при температурі розчину То.

Виконаний аналіз дозволяє достатньо обґрунтовано сформулювати математичну модель регенерації прифільтрової зони свердловини при її термореагентній обробці у наступному вигляді:

(19)

(20)

де:

;

При вирішенні системи (19)-(20) з урахуванням початкової умови отримано слідуючі залежності для визначення кінетики зміни концентрацій кольматанта в породі прифільтрової зони та реагентному розчині відповідно:

(21)

(22)

де - часова функція.

(23)

Оскільки знаходження значення функції можливе лише за допомогою наближених методів, що ускладнює використання отриманого рівняння, то була зроблена спроба спрощення вихідних рівнянь моделі шляхом апроксимації залежності (14) за допомогою більш простої математичної функції вигляду:

(24)

де p і q - константи, що залежать від координати точки; - безрозмірний критерій Фур'є; а - температуропроводність середовища, м2/год.

Рівняння для обчислення функції часу, отримане при застосуванні наведених спрощень, матиме вигляд:

(25)

де:

При порівнянні результатів обчислень параметрів регенерації за умови використання залежностей (23) і (25) встановлено, що похибка знаходиться в межах 5%, що доводить доцільність використання більш простої залежності (25) для практичних розрахунків.

Отримані залежності дають змогу прослідкувати кінетику розчинення осаду при нагріванні реагента за допомогою ТЕНа. Як з'ясовано, при застосуванні інших способів нагрівання реагентного розчину відбувається його поступове охолодження. Залежність температури в даному випадку також доволі точно апроксимується формулою (24). За даних умов процес регенерації описується рівняннями (21) і (22) при значенні часової функції:

(26)

4. Визначення деяких вихідних параметрів регенерації

Одним з найбільш важливих параметрів є кількість реагентного розчину, що подається до свердловини. У відповідності з запропонованим методом визначення кількості розчину сумарний об'єм реагента для проведення к-того етапу обробки:

(27)

Об'єм реагента, який можна розмістити в свердловині на будь-якому етапі обробки, приблизно дорівнює:

(28)

де hсв - висота ствола свердловини, що заповнена реагентом, м.

На кожному етапі обробки кількість реагента, що можна розмістити в прифільтровій зоні, лімітується залишковою пористістю грунта. Проведені розрахунки з урахуванням даних про структурні особливості закольматованих присвердловинних зон дозволяють записати залежність для визначення об'єму розчину реагента для регенерації прифільтрової зони на к-тому етапі обробки в наступному вигляді:

(29)

Запропоновані залежності дозволяють визначити необхідний об'єм розчину реагента на будь-якому етапі обробки свердловини.

При побудові математичних моделей було введено величину приведеної концентрації солей кольматанта в реагентному розчині Сnp, що дозволяє врахувати багатокомпонентність кольматуючого осаду. Отримані залежності для визначення поточного і максимального значень концентрації можуть бути представлені у наступному вигляді:

(30)

де mi - вміст і-тої сполуки у складі кольматанта, %; mнз - вміст сполук, що становлять нерозчинний залишок, %; Сi - концентрація і-тої сполуки в реагенті на час регенерації t, кг/м3; Сmі - значення концентрації насичення реагента і-тою сполукою при розчиненні однокомпонентного кольматанта, кг/м3.

Відомо, що протікання самого процесу регенерації супроводжується певною кількістю побічних процесів, впливу яких, як правило, неможливо уникнути. Серед них слід відзначити наступні:

Нівелювання концентрації солей кольматанта в реагенті в окремих точках присвердловинної зони;

Виникнення явища газліфту;

Переміщення розчину реагента в межах прифільтрової зони.

Кожна точка закольматованої зони свердловини характеризується своїм значенням насиченості пор кольматантом. Отже очевидно, що динаміка насичення розчину реагента в кожній точці буде різною. Тому було оцінено процес вирівнювання концентрацій кольматанта в реагенті на основі рішення диференційного рівняння Фіка. Виконаний аналіз впливу дифузійного фактору на процес регенераціі показав, що різниця результатів з урахуванням даного фактора і без його урахування не перевищує 0,5%, що дозволяє в подальшому знехтувати впливом даного процесу на точність обчислень.

При регенерації свердловин за допомогою реагентів-нейтралізаторів спостерігається виникнення газліфту. Гази, що накопичуються в підпакерному просторі, створюють певний тиск на поверхню реагентного розчину.

Запропоновані залежності, що дають змогу оцінити об`єми і динаміку задавлення реагентного розчину в затрубний простір за домомогою газліфту, можуть бути представлені в наступному вигляді:

- для безнапірних горизонтів:

(31)

- для напірних горизонтів:

(32)

де Rc - газова стала суміші газів, ; Т - температура газів, К; G(t) - маса газів, що виділилася за час регенерації t, кг; - густина води і розчину реагента відповідно, кг/м3; - тиск, що встановиться у свердловині після закачування реагента, Па.

(33)

де Vp - об'єм реагента, м3; yin - коефіцієнт, що являє собою відношення молекулярних мас i-того газу, який виділився при n-ній реакції реагента з певним компонентом кольматанта, та продукту реакції.

Розроблена методика дозволяє, маючи дані про хімічний склад кольматаційних відкладень, спрогнозувати протікання процесу газліфту.

При проведенні реагентної або термореагентної обробки густина розчину реагента, як правило, відрізняється від густини пластової води. Це зумовлює виникнення процесів спливання (при ) або опускання (при) розчину реагента в межах водоносного пласта.

Результатом цих явищ є нерівномірність протікання процесів розчинення кольматанта по вертикалі. На основі виконаного аналізу було складено рівняння руху реагента в пористому середовищі, при вирішенні якого отримана наступна залежність для визначення величини вертикального переміщення розчину в прифільтровій зоні за час t:

(34)

де k- коефіцієнт пропорційності, що встановлює залежність між силою опору та швидкістю фільтрації розчину через грунт, Н*с/м; mp.з - маса реагента в прифільтровій зоні, кг.

Результати аналізу впливу даного фактору на ефективність очищення прифільтрової ділянки від кольматуючого осаду приведено на рис.4. Розрахунки виконано при використанні формул (12) і (34) та наступних вихідних даних: реагент - HCl (20%); ; ; ; ; ; ;. Залежності зміни залишкової концентрації кольматанта в поровому просторі показано пунктирною і суцільною лініями для випадку обчислень без урахування і з урахуванням фактору відповідно. Римськими цифрами позначено порядковий номер етапу обробки прифільтрової зони.

При значних величинах градієнтів щільності розчину і води та малих значеннях коефіцієнта пропорційності к процеси переміщення розчину реагента в прифільтровій зоні мають бути враховані при виконанні робіт по регенерації свердловини.

5. Апробація побудованих моделей та запропонованих методів розрахунку параметрів регенерації свердловин способом реагентної ванни з залученням даних досліджень різних авторів

Також для перевірки правильності отриманих рівнянь було виконано їх порівняльний аналіз з моделлю А.М.Тугая, як однією з найбільш досконалих на даний час. Результати порівняльного аналізу наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Порівняння результатів обчислень за допомогою різних математичних моделей

t, хв.	5	10	15	20	25	30
	Запропонована модель	0,296	0,492	0,633	0,736	0,809	0,862
	Модель А.М.Тугая	0,282	0,482	0,627	0,732	0,815	0,870

Виконаний порівняльний аналіз дозволяє позитивно оцінити побудовані математичні моделі і розроблені на їх основі методи розрахунку, які дозволяють більш надійно визначити параметри процесу регенерації свердловин. Виходячи з результатів порівняння можна зробити висновок, що за умови практично однакової точності запропонована модель є більш компактною і водночас більш повною за своїм змістом.

Висновки

кольматант присвердловинний реагентний

1. На основі аналізу даних про системи водопостачання населених пунктів України з підземних джерел встановлено, що одним з найбільш ефективних методів відновлення дебіту водозабірних свердловин, які мають значну глибину, є метод реагентної ванни.

2. Розроблена методика визначення перерозподілу сольових відкладень кольматанта у прифільтровій зоні свердловини, використання якої дозволяє більш обґрунтовано визначити такі технологічні параметри, як кількість реагентного розчину та час регенерації.

3. Запропонована більш досконала математична модель декольматації фільтра та прифільтрової зони свердловини методом реагентної ванни, яка враховує такі важливі фактори, як нерівномірність відкладення осадів в межах прифільтрової зони та багатокомпонентність кольматуючого осаду. Встановлено, що внаслідок значної різниці в товщині дифузійного шару процеси насичення реагента в фільтрі та прифільтровій зоні протікають з різною динамікою.

4. Розроблено методики розрахунку значень температурного поля присвердловинної зони при застосуванні різних технологій нагрівання реагентного розчину, що дозволило встановити ефективність застосування кожного з методів нагрівання відносно конкретних технологічних умов.

5. Розроблено математичну модель термореагентної регенерації водозабірних свердловин в умовах змінних характеристик температурного поля прифільтрової зони і встановлено, що при застосуванні різних технологій нагрівання розчину процес розчинення кольматанта може бути описано однією відносно простою моделлю дифузійної кінетики.

6. Встановлено ступінь впливу різних факторів і явищ на процес розчинення кольматанта та одержано відповідні розрахункові залежності, які дають змогу певною мірою спрогнозувати виникнення і протікання даних явищ, що дозволяє оптимізувати процес проведення регенераційних робіт і відповідно підвищити їх ефективність.

7. Обґрунтовано метод визначення кількості реагентного розчину, який базується на врахуванні параметрів кольматанта конкретного хімічного складу, а також насиченості закольматованих порід призабійної зони.

8. Розроблено інженерну методику розрахунку технологічних параметрів відновлення дебіту свердловин способом реагентної ванни і запропоновано рекомендації щодо реалізації цієї методики для різних умов регенерації.

9. Техніко-економічні розрахунки, виконані на основі запропонованих залежностей, дозволяють констатувати можливість зниження питомих грошових витрат на ремонт свердловини майже в два рази (виходячи з вартості приросту дебіту 1м3/добу) у порівнянні з використанням відомих методик. Запропоновані розрахункові методики і рекомендації впроваджено на підприємстві ДКП „Вишнівськводоканал”.

Література

1. А.М. Тугай, Р.В. Десятерик. Деякі процеси хімічного кольматажу в прифільтровій зоні водозабірних свердловин. // Водне господарство України. - К.: Агронаука, 2003. -№ 5-6. - С. 25-27.

2. А.М. Тугай, Р.В. Десятерик. Розробка математичної моделі регенерації свердловин методом реагентної ванни // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - К.: -2005. випуск 4. - С.4-17.

3. Десятерик Р.В. Вплив температурного фактору на процес декольматації свердловин на воду. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. -К.: -2005. випуск 5. - С.33-46.

4. Десятерик Р.В. Вплив деяких явищ на процес декольматації трубчатих колодязів способом реагентної ванни. // Науковий вісник будівництва. -Харків: ХДТУБА, - 2005. - №18. - С. 249-257.

5. Десятерик Р.В. Апробація математичних моделей регенерації свердловин методом реагентної ванни. // Водне господарство України. - К.: Агронаука, 2005. -№ 5. - С. 22-25.

6. Десятерик Р.В. Оцінка ефективності хімічної регенерації свердловин. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. -К.: -2006. випуск 6. - С.44-48.

7. Десятерик Р.В. Зміна характеристик температурного поля прифільтрової зони свердловини при її регенерації. // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. -К: КНУБА. -2006. -С.85-86.

Размещено на Allbest.ru