Наукове обґрунтування продуктивності водозабірних свердловин систем водопостачання

Розділ 2. Процеси кольматажу і існуючі методи його врахування при визначенні продуктивності свердловин
В цьому розділі викладаються основні принципи формування фільтраційних деформацій у вигляді кольматажу фільтрів і прифільтрових зон різної фізико-хімічної природи його виникнення: механічне, хімічне, біологічне, і оцінюється вплив цього явища на пониження продуктивності водозабірних і водопонижувальних свердловин (трубчатих колодязів). Приводиться аналіз існуючих підходів і методів розрахунку параметрів свердловин в умовах їх кольматації, використаних фізичних і математичних моделей, які описують фізико-хімічні і гідродинамічні процеси механічного та хімічного кольматажу свердловин. Розрізняються особливості використання технології закольматованих свердловин різними хімічними реагентами з метою відновлення їх продуктивності, аналізуються існуючі моделі і методи розрахунку регенерації (відновлення продуктивності) свердловини. На основі цього аналізу і аналізу наведеного в попередньому розділі робляться висновки і формулюється мета задачі по темі дисертації.
2.1 Формування різних видів кольматажу в присвердловинній зоні і деякі питання їх регенерації
Досвід експлуатації систем водопостачання, що забезпечуються водою водозабірними свердловинами, вказують на необхідність відновлення їх продуктивності з часом їх роботи. Період стабільної роботи свердловин (період до часу необхідності відновлення їх продуктивності) залежить від багатьох факторів: конструкції свердловини, їх водоприймальної частини (фільтру), умов експлуатації, складу водоносних порід, якості підземних вод, складу покрівлі і підошви водоносного шару, розміщення в ньому фільтра, типу водопідйомного обладнання, та його зношення, меж живлення та зв'язку експлуатаційного водоносного шару з іншими водоносними шарами і поверхневими водами. Одним із суттєвих факторів, що впливає на продуктивність свердловин з часом їх експлуатації є кольматація фільтра і прифільтрової зони. Судять про стан свердловини і необхідність відновлення її дебіту по закономірності зміни з часом питомого дебіту, або показника загального опору фільтру і прифільтрової зони, обумовлених кольматажем. При влаштуванні водозабірної свердловини (трубчатого колодязя) з великою щільністю фільтра і коефіцієнтом фільтрації прифільтрової зони кф більшими ніж коефіцієнт фільтрації водоносної породи кn, спочатку, як встановлено досвідом, спостерігається незначне збільшення опору і відповідно зменшення питомого дебіту q, а в подальшому ці зміни , в залежності від вище приведених факторів, суттєво зростають, що пов'язано із зменшенням водопроникності пористого середовища, з ростом його насиченості кольматантом. Точка перегину на розрахунковому графіку q=f(t) вказує на потік інтенсивної зміни цих величин. До цього моменту відносять початок відновлювальних заходів. Як правило, міжремонтний період не перевищує трьох років [54, 60, 61, 62, 63]. Більш довго можуть експлуатуватися свердловини з каркасним фільтром і гравійною обсипкою. Збільшення періоду експлуатації свердловин понад вказані граничні значення в більшості випадків веде до ускладнень і збільшенню фінансових витрат на їх відновлення із-за ущільнення різних фільтраційних деформацій, які відбуваються в фільтрі, обсипці і грунтах біля свердловин при відкачках.
При цьому основними видами фільтраційних деформацій є суфозія та кольматаж фільтрів і прифільтрових зон свердловин. З гідравлічної точки зору ці деформації характеризуються зміненням щільності фільтрів і пористості порід, і їх інтенсивність визначається багатьма факторами, в тому числі, будівельного і експлуатаційного характеру, які проявляються найбільш сильно в прифільтровій зоні свердловин [62, 64 - 71]. Все це призводить, як зазначалося вище, до появи додаткових опорів, суттєво впливаючих на продуктивність водозабірних та водопонижувальних свердловин. Механізм проявлення та протікання суфозії і механічного кольматажу і їх опис досить суттєво викладені в спеціальній літературі, наприклад, в [54, 60, 62, 72 - 98], і тому на цих питаннях в подальшому зупиняться не будемо.
Відзначимо лише, що існуючі дослідження переважно експериментального характеру, в основному, стосувалися розробки методів розрахунку і підбору зворотніх фільтрів, що дозволяли б прогнозувати розвиток кольматажу і суфозії у фільтрах і передбачити способи їхнього захисту, а також розробки методів прогнозування розвитку кольматаційно - суфозійних процесів у прифильтровій зоні, що дозволяють оцінити їхній вплив на продуктивність свердловин. Деформаційні процеси у фільтрі та грунтах прифильтрової зони зв'язані, насамперед, зі зміною фільтраційних властивостей пористого середовища (проникності і пористості) за рахунок таких процесів, як суфозія і кольматаж. Так, деформаційні процеси, що приводять до збільшення проникності (коефіцієнта фільтрації), зв'язані переважно з механічною суфозією ( у суфозійних ґрунтах) чи в меншому ступені переорієнтацією часток у несуфозійних ґрунтах. Як відомо, під механічною суфозією розуміється явище в ґрунтах, при якому відбувається відрив, переміщення і винос (вимив) дрібних часток із ґрунту у свердловину (піскування свердловин) як наслідок впливу фільтраційного потоку. При цьому розрізняють : внутрішню механічну суфозію (переміщення фільтраційним потоком всередині ґрунту дрібних його часток) і зовнішню (винос фільтраційним потоком дрібних часток із ґрунту). Далі розглядається зовнішня механічна суфозія при відкачках із свердловин. Встановлено дві категорії умов виникнення механічної суфозії: геометричні, обумовлені співвідношеннями між частками фільтру та частками фільтруючої породи і гідродинамічні на контакті фільтру і ґрунту, обумовлені градієнтами і вхідними швидкостями. На основі цих умов розроблені критерії існування механічної суфозії ?54, 64, 72, 77, 78, 82, 99?.
Деформаційні процеси, зв'язані з відкладенням у порах дрібних часток ґрунту й осадів, що утворюються з різних хімічних