Исследование установившегося движения жидкости в прифильтровой зоне скважины при ее регенерации с помощью трубчатой зафильтровой системы промывки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

г и д р о э н е р г е т и к а

УДК 628.112

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПРИФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЕ СКВАЖИНЫ ПРИ ЕЕ РЕГЕНЕРАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ТРУБЧАТОЙ ЗАФИЛЬТРОВОЙ СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ

Докт. техн. наук ИВАШЕЧКИН В. В., инж. АВТУШКО П. А., канд. техн. наук ШЕЙКО А. М.

Белорусский национальный технический университет

Для значительной части водозаборных и дренажных скважин характерна недостаточная начальная производительность из-за внесения кольмати-рующего материала в прифильтровую зону еще в процессе сооружения скважины при бурении вращательным способом с прямой промывкой глинистым, глинисто-карбонатным и сапропелевым растворами. Остатки бурового раствора могут находиться в прифильтровой зоне на контакте с во-довмещающими породами и снижать водопропускную способность пород. В процессе освоения пробуренных скважин для удаления промывочного раствора и размыва глинистой корки может применяться гидравлическая очистка фильтров, включающая прямую промывку зафильтрового пространства водой через бурильные трубы и рабочую поверхность фильтра, а также обратную промывку по зафильтровому пространству через водоприемную поверхность и открытый башмак фильтра с одновременной эр-лифтной прокачкой [1]. Однако эти методы не всегда обеспечивают качественное освоение скважин после бурения.

Дальнейшее снижение производительности скважин в процессе эксплуатации является следствием постепенного зарастания фильтров и прифиль-тровых зон различными по физическим свойствам и химическому составу кольматирующими осадками, выпадающими из воды. Для регенерации скважин, закольматированных пластичными или рыхлыми осадками, поддающимися струйному размыву, применяют поинтервальную промывку фильтров водой, нагнетаемой под давлением, а также свабирование. Такие гидравлические методы регенерации характеризуются недостаточной эффективностью, так как осуществляются изнутри фильтра. Оттесненный от ствола кольматирующий материал остается в поровом пространстве гравийной обсыпки, водовмещающих пород и в процессе дальнейшей эксплуатации может повторно закупорить прифильтровую зону.

Заслуживает интереса регенерация скважин путем прокачки погружным насосом или эрлифтом с дебитом в 1,6-2 раза больше эксплуатацион-

ного дебита с периодичностью 8-10 месяцев [2]. Прокачки эффективны в скважинах, добывающих подземные воды, вызывающие зарастание фильтров силикатными и алюмосиликатными соединениями (А120з или 8Ю2 ■ «Н20 > 10 мг/л). Здесь преобладающий осадок - коагели взаимного осаждения кремнекислоты, окислов алюминия и гидроокислов железа. Фильтры и обсыпки зарастают желе- и пастообразными соединениями, впоследствии приобретающими высокую твердость. Увеличение интервалов прокачек недопустимо в связи с переходом осадков из пластического в твердое состояние. Этот метод регенерации путем прокачки скважины удвоенным расходом по отношению к паспортному чреват созданием высоких скоростей фильтрации, превышающих допускаемые скорости, что может привести к нарушению механической и фильтрационной устойчивости во-довмещающих пород водоносного горизонта. Достоинство метода - возможность выноса кольматанта, так как промывной поток направлен к фильтру.

На кафедре «Кораблестроение и гидравлика» БНТУ предложено осуществлять освоение новых и регенерацию снизивших свой дебит эксплуатирующихся скважин с помощью трубчатых зафильтровых систем промывки, которые устанавливаются в затрубном пространстве скважины вместе с фильтром и эксплуатационной колонной [3]. В [4] рассмотрена циркуляция жидкости в прифильтровой зоне водозаборной скважины при закачке реагента в нагнетательные трубки и откачке продуктов реакции из скважины при равенстве расходов закачки и откачки, которое необходимо выдерживать во избежание утечек реагента в пласт. Однако применение дорогостоящих реагентов для регенерации фильтров скважин не всегда оправдано. Например, для освоения скважин, пробуренных методом прямой промывки с применением буровых растворов, а также для промывки фильтров скважин, закольматированных пластичными, рыхлыми или пастообразными осадками, поддающимися струйному размыву, более предпочтительным является метод гидродинамической безреагентной зафильтро-вой промывки, когда в трубчатую зафильтровую систему подается чистая вода. При гидродинамической безреагентной зафильтровой промывке скважин может быть использовано различное соотношение расходов закачки-откачки. Здесь наиболее предпочтителен случай, когда расход откачки превышает расход закачки в трубчатую систему, что предполагает привлечение для промывки дополнительного расхода воды из водоносного пласта. Причем расход воды из пласта не должен быть больше дебита скважины, при котором нарушается суффозионная устойчивость водовме-щающих пород пласта, начинается их вынос в гравийную обсыпку и пес-кование скважины.

Цель работы - теоретические и экспериментальные исследования установившегося движения жидкости в прифильтровых зонах водозаборной и дренажной скважин при их регенерации с помощью трубчатых зафиль-тровых систем промывки.

Математическое моделирование установившегося движения жидкости при зафильтровой промывке скважин. Водозаборная скважина в напорном пласте. Рассмотрим установившуюся напорную фильтрацию жидкости в прифильтровой зоне водозаборной скважины при подаче промывной воды в нагнетательные трубки в процессе откачки воды из скважины (рис. 1).

1-1

Нагнетательная трубка (п, шт.)

Водозаборная скважина

Q«lп ' Qc

2н/п

Ур. земли

Водозаборная скважина

2-2

' У

А(х; у)

^ 1 '

Нагнетательная трубка (п, шт.)

Рис. 1. Расчетная схема зафильтровой промывки водозаборной скважины в напорном пласте

Введем обозначения: п - количество нагнетательных трубок; Я - их расстояния от водозаборной скважины; т - мощность водоносного пласта; к и кф - коэффициенты фильтрации пласта и прифильтровой зоны.

Пусть расход, откачиваемый из ствола скважины, превышает суммарный расход воды, подаваемый в нагнетательные трубки. Это значит, что некоторая часть расхода будет забираться из водоносного пласта

а=а+а

(1)

где Qс - расход воды, откачиваемый из водозаборной скважины; Qн - суммарный расход воды, подаваемый в нагнетательные трубки; Qпл - расход воды, дополнительно отбираемый из пласта.

Используем известный метод наложения фильтрационных течений и получим уравнение для расчета изменения уровня в любой точке при-фильтровой зоны скважины после установления квазиустановившегося движения. В общем случае понижение уровня воды в любой точке прифильтровой зоны скважины относительно статического уровня будет определяться по следующему уравнению:

(2)

где - понижение уровня при откачке из водозаборной скважины расхода Qн, подаваемого в нагнетательные трубки; - повышение уровня при закачке в нагнетательные трубки расхода Qн; 5пл - понижение уровня при откачке из водозаборной скважины расхода, дополнительно отбираемого из пласта Qпл.

Пусть прифильтровая зона снизила свою проницаемость в результате кольматажа. Кольматаж наиболее интенсивно проявляется в непосредственной близости от водозаборной скважины в области (Я - гс), где гс -радиус фильтра; Я - радиус бурения скважины (радиус внешнего контура гравийной обсыпки, на котором установлены нагнетательные трубки). Таким образом, скважина имеет «кольматационное кольцо» толщиной (Я - гс) со сниженной проницаемостью и коэффициентом фильтрации кф. Допустим, что за пределами этой области коэффициент фильтрации не изменяется и равен коэффициенту фильтрации пласта к. Понижение

X

в скважине при наличии вблизи нее зоны с кольцевой неоднородностью определяется по зависимости [5]

51 =

а

2ккт

(3)

где Я„ - радиус влияния водозаборной скважины; г - расстояние от оси водозаборной скважины до точки, в которой определяется понижение; с, -показатель обобщенного сопротивления, обусловленного кольматажом в зоне (Я - гс), определяемый по зависимости [5]

-1

1п

Я

(4)

Понижение находим с учетом выражений, полученных при теоретическом исследовании циркуляционного движения в прифильтровой зоне скважины, оснащенной трубчатой системой зафильтровой регенерации, при равенстве расходов закачки и откачки [4]. Введем обозначения: О к

(3 = и е = —. Тогда с учетом (3) и (4) получим к

а

-У1„- + -а

2пк^т г 2пк^пт рг 2пкт

_ а

г Л -

+ к — 1 ь.*

г К Го_

47тк

_ а

4шгк

_ а

4птк

1 Д2 1 Я2

-1п —--+ 2(3

8 у гп% р2

-1пг2+-У1прг2+2£(3

Iй г* 2

— 1

8

Г

/ с JJ

, я п , К

1п —— + -1 1п—

г V8 Гс_

п—7 г

Я„

1п —— +

г

--1

Vе У

Ь*

(5)

где р7 - расстояние от 7-й нагнетательной трубки до точки, в которой определяется понижение.

В декартовых координатах выражение имеет вид

Ж*,,)=+

4 шпк I

2 , 2 X + у

+2е(3

1п

К

л1х2+у2

— 1

е

Ь*

(6)

2л(г-1) Г~2 2 г

где =-, г — л/х +у - расстояние от водозаборной скважи-

п

ны радиуса гс до точки, в которой определяется понижение; pi = 88

г

Г

с

г

с

= ^(^Ясо^С^™? - расстояние от /-й циркуляционной

трубки до точки, в которой определяется понижение.

Общий вид гидродинамической сетки, построенной по формуле (6), представлен на рис. 2.

Рис. 2. Гидродинамическая сетка фильтрации: п = 4; Я = 0,5 м; т = 10 м;

бн = Quл = 0,006 м3/с; кф = к = 0,0001 м/с; Яп = 200 м; гс = 0,1 м; р = 1,0; е = 1,0

Дренажная скважина в безнапорном пласте. Расчетная схема установившейся безнапорной фильтрации при закачке-откачке воды в системе «нагнетательные трубки - дренажная скважина» представлена на рис. 3.

Нагнетательная трубка (п шт.)

Дренажная 1-1 скважина

бн/п

2-2 У

Нагнетательная трубка (п, шт.)

Рис. 3. Расчетная схема зафильтровой промывки дренажной скважины в безнапорном пласте

Для этого случая также справедливы выражения (1), (2). Уравнение для определения понижения уровня грунтовых вод ^ в любой точке пласта, вызванного работой дренажной скважины при заборе воды из пласта в количестве бпл, имеет вид

= к -к =

пл е

/ п л 1п—+ <;

г

(7)

где ке - статическая глубина грунтовых вод; к - мощность потока грунтовых вод в точке пласта с координатой г.

Тогда понижение в точке пласта согласно (2) с учетом (4) равно

V

/г +-

а р; 1,2 он , г

2пк,п ~ Я

+

2ккф К2

(1 -1 1п*1

пк г Iе У ГС.

(8)

где г - расстояние от точки, в которой определяется понижение, до оси дренажной скважины.

В декартовых координатах выражение (8) имеет вид

8(х,У) =

,2 О^г, (х-Ясова,)2 +0-Язта,)2 /?;+—> 1п---—г^-—

2 , 2

■Л , Лт„х

\К+о\п-

я1

+

+

к-

к2е-2г$0

1п

К

у/х2+У2

+

'I- 1Ч

ь*

V / с

(9)

271(7-1) = Он где а. =—---: 0=

2пЬ

Общий вид гидродинамической сетки, построенной по формуле (9), представлен на рис. 4.

п

Д У, м

Рис. 4. Гидродинамическая сетка фильтрации для дренажной скважины: п = 4; Я = 0,5 м; ке = 10 м; бн = бпл = 0,006 м3/с; кф = к = 0,0001 м/с; Яп = 200 м; гс = 0,1 м; в = 1,0; е = 1,0

По гидродинамическим сеткам (рис. 2, 4) можно найти местную скорость фильтрации в любой точке прифильтровой зоны. Вблизи фильтра скважины линии равных напоров представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми убывает по мере приближения к наружной поверхности фильтра, что указывает на существенный рост градиентов напора. Одновременно возрастает средняя скорость в этих цилиндрических сечениях, совпадающих с линиями равных напоров. Ее находят как суммарный расход, деленный на площадь соответствующего сечения. По сетке можно определить теоретическое значение градиентов фильтрации и сравнить их с допускаемыми средними градиентами фильтрационного потока Тдоп, при превышении которых начинается суффозия грунта [6].

Физическое моделирование установившегося движения жидкости при зафильтровой промывке скважин. Водозаборная скважина в напорном пласте. Физическое моделирование осуществляли на лабораторной установке, представленной на рис. 5.

а б - согЫ

Рис. 5. Схема экспериментальной установки: а - разрез; б - схема размещения пьезометров (Я = 0,3 м; = 0,07 м; х2 = 0,125 м; х3 = 0,19 м; х4 = 0,22 м; х5 = 0,27 м; х6 = 0,3 м): 1 - фильтрационный лоток; 2 - кольцевой бьеф; 3 - водоприемники пьезометров; 4 - щит пьезометров; 5 - шланги; 6 - сливной патрубок; 7 - модель водозаборной скважины; 8 - нагнетательные трубки; 9 - уплотнение; 10 - водовмещающий грунт; 11 - насос; 12 - напорный бак; 13 - напорный шланг; 14 - расходомер; 15 - вентиль;

16 - сливные шланги; 17 - отводящий шланг; 18 - полиэтиленовая пленка;

19 - глиняный замок

Установка состояла из радиального фильтрационного лотка диаметром 1,22 м и высотой 0,5 м с кольцевым бьефом, внутри которого устанавливали модель фильтра совершенной по степени вскрытия пласта водозаборной скважины. Фильтр скважины представлял собой трубчатый полиэтиленовый каркас внутренним диаметром 125 мм. Диаметр отверстий в каркасе составлял 12 мм. Отверстия располагались в шахматном порядке. Снаружи каркас обматывали полиэтиленхолстом толщиной 5 = 7,5 мм. В опытах использовали кварцевый песок (ТУ РБ 100016844.241-2001). На приборе Дарси определили коэффициент фильтрации песка, который составил к = 0,7 см/с, и критическую скорость фильтрации укр = 0,23 см/с, при которой происходит нарушение закона Дарси [7].

В прифильтровой зоне водозаборной скважины установлены четыре нагнетательные трубки. Бак засыпан на высоту 0,35 м фильтрующим песчаным грунтом 10. В днище бака встроены водоприемники пьезометров, которые соединяются с пьезометрическим щитом гибкими шлангами. Пьезометры расположены вдоль главной линии тока, соединяющей ось модели водозаборной скважины и нагнетательной трубки. Схема размещения пьезометров представлена на рис. 5б. В баке предусмотрен сливной патрубок. Во избежание защемления воздуха, грунт закладывали в воду с послойным трамбованием. Для обеспечения условий напорной фильтрации в грунте 10 при циркуляции на его поверхности была уложена полиэтиленовая пленка с глиняным замком. Таким образом, модель напорного пласта была мощностью т = 0,35 м. Модель скважины и нагнетательные трубки имели нижние и верхние уплотнения 9 в местах их примыкания к днищу бака и на контакте с полиэтиленовой пленкой. В модель водозаборной скважины помещали насос, который откачивал из нее воду в напорный бак. На напорном шланге насоса установили расходомер и вентиль для регулировки расхода. Из бака в нагнетательные трубки были подведены сливные шланги. Часть воды, нагнетаемой насосом в напорный бак, отводилась по отводящему шлангу в кольцевой бьеф в зону питания модели пласта, другая часть подавалась в нагнетательные трубки. Уровень воды в напорном баке поддерживали в течение опыта постоянным. Расходы воды в напорном и отводящем шлангах фиксировали при помощи счетчика воды СХВ 15 (ГОСТ Р 50601-93).

Установка работала следующим образом. Вода насосом забиралась из скважины с расходом Qc, который фиксировался водомером, и подавалась в напорный бак. Расход Qпл, подаваемый по отводящему шлангу в кольцевой бьеф, также фиксировался водомером. Так как уровень в напорном баке поддерживался постоянным, расход Qн, подаваемый в нагнетательные трубки, определяли как разность Qн = Qc - Qпл. Давление в пласте при фильтрации регистрировали с помощью пьезометров.

С целью проверки правомерности применения полученных зависимостей (5) и (8) для описания поля напоров при зафильтровой промывке совершенной водозаборной скважины по степени вскрытия водоносного горизонта в напорном пласте был проведен ряд лабораторных экспериментов. Сопоставление результатов опытов и расчетов по определению напора вдоль главной линии тока 0х представлено на рис. 6.

0.03 £■, м 0,01 0

-0,01 -0,03 -0,05 -0,07

Рис. 6. Сопоставление экспериментальных исследований и расчетов при определении напора в профиле 0х между водозаборной скважиной и нагнетательной трубкой в процессе зафильтровой промывки (напорное движение): Qн = 0,235 л/с; Qпл = 0,156 л/с; Qс = 0,391 л/с; т = 0,35 м; Я = 0,3 м; Яп = 0,6 м; в = 0,664; к = кф = 0,007 м/с; 1 - теория; 2 - эксперимент

Анализ теоретических и опытных данных показал, что относительное отклонение напоров вдоль главной линии тока не превышает 8 %. Это свидетельствует о возможности использования расчетных зависимостей (5) и (6) для построения поля напоров и определения скоростей и градиентов фильтрации в прифильтровой зоне водозаборных скважин при их промывке с целью назначения необходимых режимов регенерации.

Дренажная скважина в безнапорном пласте. Физическое моделирование осуществляли на лабораторной установке, представленной на рис. 5, где полиэтиленовую пленку и глиняный замок удаляли, а это пространство заполняли тем же грунтом, что и грунт водоносного горизонта. Это позволяло переоборудовать напорный водоносный горизонт в безнапорный. Методику лабораторных исследований использовали ту же. Сопоставление результатов опытов и расчетов по определению напора вдоль главной линии тока 0х дренажной скважины представлено на рис. 7.

Анализ теоретических и опытных данных показал, что относительное отклонение напоров вдоль главной линии тока не превышает 8 %. Это свидетельствует о возможности использования расчетных зависимостей (5) и (6) для построения поля напоров и определения скоростей и градиентов фильтрации в прифильтровой зоне дренажных скважин в безнапорном пласте при их промывке с целью назначения необходимых режимов регенерации.

0.02 £■, м -0,02 -0,04 -0,06 -0,08 -0,10

Рис. 7. Сопоставление экспериментальных исследований и расчетов при определении напора в профиле 0х между дренажной скважиной и нагнетательной трубкой в процессе зафильтровой промывки (безнапорное движение): Qн = 0,235 л/с; Qпл = 0,179 л/с;

Qс = 0,414 л/с; ке = 0,46 м; Я = 0,3 м; Яп = 0,6 м; в = 0,762; к = 0,007 м/с;

1 - теория; 2 - эксперимент

/ \

0 0,1 0,2 ■ Хч\ 1 ^ п о V ,, (Л Л

■ 0,3 X, м 0,4

Анализ распределения напоров и скоростей в прифильтровой зоне водозаборной и дренажной скважин показывает, что применение трубчатой системы зафильтровой промывки позволяет существенно увеличить местные скорости фильтрации и соответственно градиенты фильтрации непосредственно в прифильтровой зоне скважин, где находится гравийная обсыпка, загрязняемая с течением времени осадками и нуждающаяся в периодической промывке. Это сводит к минимуму возможность суффозионного выноса грунта из водовмещающих пород пласта, где градиенты фильтрации будут меньше допустимых. При кольматации гравийной обсыпки мелким песком, оставшимся в открытом стволе скважины после бурения и попавшим в гравийную обсыпку при ее гравитационной загрузке в за-фильтровое пространство, ее можно рассматривать как крупный песок. При кольматации обсыпки глинистыми частицами и пастообразными железистыми соединениями ее можно рассматривать как супесь. В справоч-

ной литературе приведены значения допускаемых средних градиентов фильтрационного потока для супеси в диапазоне /доп = 0,55-0,85, а для крупного песка - 0,9-1,1 [6, с. 151]. Таким образом, при назначении режимов промывки необходимо брать такое соотношение расходов Qн, Qпл, Qс, при котором расчетные значения градиентов фильтрационного потока /расч в загрязненной гравийной обсыпке реанимируемой скважины превысят допустимые градиенты фильтрации /доп, т. е. будет выполняться условие /расч > /доп. В этом случае в загрязненной осадками или мелким песком гравийной обсыпке начнется контролируемая суффозия, обеспечивающая вынос загрязнений за пределы скважины.

В Ы В О Д Ы

1. В результате теоретических исследований на основе метода наложения фильтрационных течений получены зависимости для описания установившегося движения в прифильтровых зонах водозаборной и дренажных скважин при их безреагентной промывке с помощью трубчатых зафиль-тровых систем регенерации. Предложенные зависимости позволяют определить напор и скорость жидкости в любой точке промываемой прифиль-тровой зоны с постоянной и измененной проницаемостью, что дает возможность определить градиенты фильтрации и обосновать необходимое соотношение расходов Qн, Qпл, Qс, обеспечивающее удаление загрязнений.

2. Проведенные экспериментальные исследования изменения напоров вдоль главной линии тока, соединяющей оси скважины и одной из нагнетательных трубок при установившемся движении в прифильтровой зоне моделей водозаборной и дренажной скважин, показали, что относительное отклонение результатов теоретических и экспериментальных исследований для прифильтровой зоны с постоянной проницаемостью не превышает 8 %.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. С п е ц и а л ь н ы е работы при бурении и оборудовании скважин на воду: справ. / Д. Н. Башкатов [и др.]. - М.: Недра, 1988. - 268 с.

2. М о р о з о в, Э. А. Справочник по эксплуатации и ремонту водозаборных скважин / Э. А. Морозов, А. В. Стецюк. - Киев: Будшельник, 1984. - 96 с.

3. К о н с т р у к ц и я водозаборной скважины при роторном бурении: пат. 9453 Респ. Беларусь, МПКС1, Е21В43/00, В03В 03/00 / В. В. Ивашечкин, А. Н. Кондратович, И. А. Ге-расименок, Н. И. Крук, И. В. Рытько; заявитель Белор. нац. техн. ун-т. - № а 20031236; заявл. 29.12.03, опубл. 30.06.2005 // Афщыйны бюл. / Цэнтр штэлектуал. уласнасщ. -2007. - № 3. - С. 110.

4. И в а ш е ч к и н, В. В. Циркуляционная регенерация водозаборной скважины, оснащенной затрубной системой реагентной промывки / В. В. Ивашечкин, П. А. Автушко // Мелиорация. - 2010. - № 1 (63). - С. 70-77.

5. П л о т н и к о в, Н. А. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод / Н. А. Плотников, В. С. Алексеев. - М.: Стройиздат, 1990. - 256 с.

6. Г и д р о т е х н и ч е с к и е сооружения (справочник проектировщика) / Г. В. Железняков [и др.]; под общ. ред. В. П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.

7. И в а ш е ч к и н, В. В. Экспериментальные исследования скважины, оснащенной за-трубной системой реагентной промывки / В. В. Ивашечкин, П. А. Автушко, Д. М. Коле-дюк // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2011. -№ 1. - С. 80-87.

Представлена кафедрой кораблестроения и гидравлики Поступила 31.01.2013