О скважинах

Кольматаж. Снижение производительности скважин на воду

ООО «Украинская буровая компания «Аквасфера» производит бурение высокодебитных скважин на воду по всей территории Украины. Заказчики подобных скважин – потребители больших объемов воды. К ним относятся заводы, фабрики, сельскохозяйственные предприятия, гостиницы, медкомплексы, крупные торговые площадки, коттеджные городки и др.

Высокодебитные скважины – сложные инженерные сооружения со сроком эксплуатации до 50 лет и максимальной ремонтопригодностью. Поэтому при их сооружении должны быть соблюдены все технологические нормы и правила.

Термин кольматаж (от французского calmatage – закупоривание, засорение, естественная цементация) используется для пояснения причин уменьшения фильтрационных характеристик водоносных пород и фильтрующих элементов водозаборных сооружений. В иностранной литературе термин кольматация используется для определения процесса механического выпадения в осадок частиц в поровом пространстве, а для обозначения химического выпадения в осадок разных минеральных соединений применяется термин инкрустация (от английского incrustation – образование корки, плотное отложение). Эффективность работы фильтров водозаборных скважин существенно зависит от кольматационных процессов в разрезах каркас фильтра – порода, гравийная обсыпка – порода и каркас фильтра – гравийная обсыпка. В процессе эксплуатации скважин в большинстве случаев наблюдается снижение ее продуктивности, обусловленное отложением осадков физико-химического и биологического происхождения в зазорах фильтров, порах гравийной обсыпки и водоносных породах.

Суть этих процессов необходимо знать как для разработки эффективного подбора и расчета фильтров, так и для оглашения рекомендаций по поддержанию стабильного дебита скважины за счет применения комплекса профилактических мероприятий и ремонтных работ.

Прямым следствием кольматажа является сильное увеличение скорости фильтрации, большой рост входных гидравлических сопротивлений и снижение притока воды к скважине. Процесс образования кольматажа протекает на разных этапах эксплуатации водозаборных сооружений, в различных гидрогеологических и геологических условиях, а его характер и интенсивность изменяются во времени и пространстве.

При бурении, освоении и эксплуатации водозаборных скважин проявляются процессы механического, химического и биологического кольматажа, определяющие не только продолжительность действия водозаборов, но и эффективность запланированных методов для восстановления их дебита.

Процессы механического кольматажа в основном завершаются на стадии строительства скважин, а химического и биологического – наблюдаются в течение всего периода действия водозабора. Оценка доли каждого из этих процессов в снижении дебита скважин – одна из основных задач при определении рационального межремонтного периода и назначении ремонтно-восстановительных мероприятий, а также в профилактике кольматационных явлений.

Механические формы кольматации активно проявляются на этапе сооружения водозаборной скважины. При раскрытии или проходе водоносного горизонта вращательным способом с прямой промывкой образуются зоны кольматации пласта, которые связаны с проникновением в пласт частиц бурового шлама, глинистого раствора (промывочной жидкости) и фильтрата глинистого раствора.

Геометрические размеры зоны кольматации зависят от многих факторов, определяющими из которых являются: литологический и механический составы водовмещающих пород, параметры промывочного раствора, перепад давления в стволе скважины и водоносном горизонте. Различные режимы бурения и условия проходки создают кольматаж хрупких водовмещающих пород на расстоянии 10-15 мм (реже 100 мм и более) от стенок скважины, что существенно влияет на изменение фильтрационных характеристик этой зоны, снижая водопроницаемость в десятки и более раз.

Негативные последствия механического кольматажа, обусловленного проникновением в пласт технологических продуктов бурения (шлам, компоненты промывочного раствора), могут быть в значительной степени уменьшены в случае применения прогрессивных способов раскрытия и освоения водоносного пласта. Механический кольматаж контактной зоны между гравийной обсыпкой и водовмещающей породой, а также на границе фильтрующей поверхности и прилегающей к ней гравийной обсыпкой, создается в процессе заклеивания отверстий, которые обеспечивают фильтрацию воды.

Опыт эксплуатации водозаборных скважин показывает, что их производительность и дренирующая способность существенно снижаются во времени вследствие зарастания фильтров и прифильтрових зон скважин различными химическими соединениями. Химический кольматаж проявляется в заполнении порового пространства водоподъемного оборудования и конструктивных элементов насосов нерастворимыми в воде оксидами, гидрооксидами различных металлов и их соединениями.

Равновесное состояние основных компонентов подземных вод зависит от температуры воды, давления и парциального давления газов, растворенных в воде. При заборе подземных вод из скважины в прифильтровой зоне происходит гидродинамическое загрязнения, что приводит к нарушению химического равновесия, обусловленного нарушением газового равновесия. Таким образом, независимо от конструкции фильтра процесс химической кольматации прифильтровых зон скважин при заборе гидрокарбонатно – кальциевых вод определяется содержанием и стабильностью соединений железа, марганца, алюминия, кальция, двуокиси кремния и др.

При эксплуатации скважин в водоносных горизонтах с подземными водами, склонными к выделению кольматирующих образований, следует избегать неравномерности режима эксплуатации, в результате чего происходит аэрация подземных вод. Нужно надежно герметизировать устья скважин, исключать использование эрлифтных водоподъемников, проверять работу обратных клапанов насосов с тем, чтобы предотвращать поступление аэрированных вод в интервал установки фильтра, и самое главное, необходимо предусматривать регулярную регенерацию скважин на основе прогноза снижения их производительности.

Процессы химического кольматажа, происходящих в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются биологической деятельностью. Основной причиной этого являются железобактерии, сульфатбактерии  и марганцевые бактерии, которые в нескольких видах присутствуют в водоносных породах и подземных водах. В процессе своей жизнедеятельности такие бактерии осаждают железо, марганец и в результате чего выделяют сероводород из подземных вод.

У железобактерий есть такие физиологические особенности: способность оказывать каталитическое действие на процесс перевода закиси железа в окись, интенсивное выделение большого количества гидрата окиси железа, что является основным продуктом их окислительной работы. Они не требуют органических питательных веществ. Наоборот их присутствие в больших количествах угнетающе действует на развитие железобактерий. Все они предпочитают низкую температуру, свет не оказывает особого влияния на их жизнедеятельность. Они лучше размножаются в темноте. Существование железобактерий связано с наличием в воде растворенных кислых соединений. Наиболее благоприятна для развития железобактерий – слабокислая реакция, но они спокойно могут развиваться при почти нейтральной реакции.

Все указанные условия характерны для состава подземных вод первых от поверхности земли водоносных горизонтов, которые приурочены к аллювиальным, флювиогляциальным и пролювиальным отложениям и в максимальной степени используются для водоснабжения.