1. Общие принципы технологии методов восстановления
Методы восстановления дебита скважин на воду выбирают на основе анализа исходных данных (конструкция фильтра и скважины, интенсивность проявления кольматационных процессов, степень изменения физических и химических свойств кольматирующих отложений, фильтрационные характеристики водоносных пород). После выбора метода, обеспечивающего в рассматриваемых условиях восстановление дебита скважины, близкого к первоначальному, подбирают технологию, включающую контроль хода восстановительных работ и оценку их эффективности.
Контроль хода обработки может быть универсальным для всех методов, когда в качестве переменных параметров применяется коэффициент фильтрации обрабатываемой зоны (сопротивление фильтра и прифильтровой области в заданном радиусе), количество удаленного шлама в растворенном или диспергированном виде. Эти параметры целесообразнее получать в процессе обработки.
Так, при обработке способом реагентной ванны при каждом последующем наливе в расчет водопроницаемости могут быть взяты данные о характере снижения уровня после налива. При этом гидродинамическая схема опробования в данном случае соответствует экспресс-наливу.
В случае осуществления циклического задавливания реагента за контур фильтра герметизированной скважины с последующим снятием давления также моделируется экспресс-налив.
Стабилизация определенной в каждом цикле обработки водопроводимости или показателя обобщенного сопротивления скважины является критерием окончания обработки.
Правомерность такого определения водопроводимости с гидродинамической точки зрения представляется достаточно обоснованной, однако для более точного решения этого вопроса были проведены исследования с использованием контролируемых параметров. Приведенные сведения касаются циклической обработки с попеременным отдавливанием реагента за контур фильтра и прослеживанием восстановления уровня в скважине после снятия давления. При обработке опытных данных использовали эталонные кривые. Одновременное наблюдение за изменением коэффициента фильтрации при стандартном давлении столба отжатой жидкости в стволе скважины, восстановлением уровня и концентрацией растворенного железа указывает на тесную связь этих параметров. Следовательно, надежным контролирующим показателем может быть каждый из упомянутых, но наиболее легко определимым является время восстановления уровня при стандартных условиях возмущения скважины.
При импульсном воздействии (взрыве ТДШ, электрогидроударе, пневмовзрыве, имплозии) процесс обработки можно контролировать по количеству шлама, образующегося в ходе обработки и собираемого в отстойнике фильтра или в специальном шламосборнике, опускаемом в скважину вместе с разрядником или пневмоснарядом. Рассматриваемый метод контроля за ходом обработки также является косвенным: благодаря ему фиксируется только та часть шлама, которая удаляется с внутренней поверхности фильтра или из его отверстий. Та часть кольматанта, которая разрушается в прифильтровой области, а затем удаляется прокачкой, в ходе обработки, не фиксируется, то есть отсутствуют надежные методы контроля эффективности импульсной обработки непосредственно в ходе ее проведения.
Для оценки эффективности восстановления дебита необходимо осуществлять экспресс-опробование или прокачку скважины, однако предпочтительнее совмещать опробование с прокачкой, которая проводится для удаления разрушаемого кольматанта из прифильтровой зоны.
При дискретном импульсно-реагентном методе контроль хода обработки может осуществляться по изменению концентрации кольматирующих частиц в реагенте и изменению (уменьшению) его концентрации.
При виброреагентном методе характерным показателем, которым можно пользоваться при контроле хода обработки, является амплитуда гидродинамического давления. В процессе разрушения кольматанта и увеличения водопроницаемости фильтра и прифильтровой зоны амплитуда импульсов гидродинамического давления постепенно уменьшается, а при фиксированных параметрах источника вынужденных колебаний (рабочего органа вибратора) минимальная амплитуда соответствует моменту восстановления водопроницаемости фильтра и прифильтроврй зоны.
Таким образом, при оценке эффективности методов восстановления в первую очередь следует учитывать возможность восстановления дебита до первоначального значения. Во вторую очередь оценку проводят по показателю обобщенного сопротивления фильтра и прифильтровой зоны, коэффициенту фильтрации в зоне скважина — пьезометр, удельному дебиту скважины при равном понижении уровня до и после восстановления дебита.
Сопоставление удельного дебита после обработки с первоначальным правомерно при неизменных внешних граничных условиях водоносного пласта в пределах водозабора.
Степень декольматации фильтра по вертикали может оцениваться и путем расходометрии, однако в этом случае необходимы первичные данные о распределении водопритока по высоте фильтра.
Для оценки эффективности восстановительных мероприятий на скважинах допустимо использование экспресс-методов опробования: экспресс-налива, экспресс-оттартовывания, возмущения способом подкачки газа с прослеживанием характера затухания колебаний при мгновенном снятии давления и т. д.
2. Ремонтопригодность скважин.
При реагентных обработках нежелательное воздействие реагентов и растворяющихся кольматирующих отложений на материал фильтров и гравийных обсыпок предупреждается введением
соответствующих реагентов или ингибированием, что входит непосредственно в технологический процесс регенерации. Импульсное воздействие обычно труднорегулируемо, а предельные
амплитуды давления и частотные характеристики до недавнего времени оставались неизвестными. Существенный интерес представляют при этом не только предельные нагрузки на
фильтр-каркас, но и характер деформации (изменения фильтрационных и суффозионных характеристик гравийных обсыпок или пород в прифильтровой зоне).
Ремонтопригодность скважин при импульсном воздействии. Импульсное воздействие при декольматации скважин осуществляется последовательной передачей импульса давления столбу воды в скважине и, следовательно, ее фильтру. Импульс давления передается за-кольматированному фильтру в виде ударной и акустических волн, которые сопровождаются переходными процессами.
Ударная волна создается быстрым (порядка 1... 100 мкс) выделением энергии в среде, подвергающейся импульсному воздействию. Кроме того, в зависимости от акустической жесткости среды разрушающим фактором могут быть расширяющиеся газы. Комплекс всех действующих факторов в максимальном их выражении проявляется при взрыве взрывчатых веществ (ВВ). Ударная волна наиболее опасна для каркаса фильтра, а расширяющиеся газы — для каркаса фильтра и гравийной обсыпки.
Сравнительные исследования интенсивности воздействия на фильтр показали, что максимальное давление наблюдается при взрыве ТДШ и зависит от числа ниток ТДШ (табл. 2).
При электрогидроударе (ЭГУ) давление в канале пробоя при оптимальных параметрах разрядного контура не превышает 10. ..12 МПа, а на внутренней стенке фильтра оно меньше. При пневмовзрыве в зоне фильтра создается импульс не более 5,...6 МПа.
2. Давление (МПа) на внутреннюю стенку фильтра при взрыве в скважине ТДШ
Число ниток ТДШ
Диаметр фильтра, мм
168
219
245
299
1
2
3
31,3
40,7
47,3
23,8
30,9
36,0
18,1
23,5
27,3
15,2
19,7
22,9
Следовательно, при оценке ремонтопригодности фильтра и намечаемых методах восстановления дебита импульсным воздействием необходимо ориентироваться на предельные нагрузки при взрыве ТДШ.
Допустимое давление на фронте ударной волны для скважин, эксплуатировавшихся до восстановления дебита не более 2 лет, приведено в таблице 3.
3. Допустимое давление на фронте ударной волны в зависимости от конструкции каркаса фильтра и водоприемной поверхности
Каркас фильтра
Водоприемная поверхность
Допустимое давление на фронте ударной волны, МПа
Трубчатый, стальной
Без дополнительной водоприемной поверхности Проволочная,
диаметр проволоки 3мм
Штампованный лист толщиной 0,8...1,0мм Сетчатая
60 50
20 10
Каркасно-стержневой
Без дополнительной водоприемной поверхности Проволочная,
диаметр проволоки 3мм
Штампованный лист толщиной 0,8...1,0мм Сетчатая
40 30
20 10
Штампованный стальной
Без дополнительной водоприемной поверхности Проволочная,
диаметр проволоки 3мм Сетчатая
30 30 10
Трубчатый, полиэтиленовый Трубчатый, поливинилхло-
ридный Блочного типа
5
2 2
Если скважина эксплуатировалась более 2 лет, то увеличивается вероятность разрушения фильтра.
При расчете импульсного воздействия прочностные характеристики фильтров должны задаваться с существенным запасом, обеспечивающим успех восстановительных работ. Если это невозможно, то выбирают другие методы обработки, не влияющие сильно на прочность конструкции и ее суффозионную устойчивость.
Ремонтопригодность скважин при вибрационном воздействии. Для освоения скважин и их декольматации используют низкочастотный и электровибрационный методы. При первом методе частота вибрации составляет 8. ..12 Гц, а амплитуда гидродинамического давления — 0,2.. .0,4 МПа. При втором методе частота варьирует в пределах 10. ..50 Гц, а амплитуда давления составляет 0,5.. .0,8 МПа.
Следовательно, перепад давления при вибрационном воздействии существенно меньше, чем при дискретных импульсных методах, и не может быть разрушающим. При низкочастотной вибрации практически исключается проявление резонансного режима, так как собственная частота колебаний трубчатого или стержневого фильтра находится в пределах 50.. .350 Гц. Применение электровибрационного метода в принципе может привести к резонансному режиму обработки, но при этом номинальный перепад давления удваивается и не превышает 1,0...1,6 МПа.
Итак, прочностные характеристики фильтров при импульсных методах должны определяться при взрыве ТДШ, ЭГУ и ВПВ.
Рис. 2. Лабораторная установка для изучения влияния вибрации на
фильтрационные свойства грунтов и кинетику растворения кольматанта:
1 — вибратор; 2 —напорный бак; 3 —рабочий орган; 4 — пьезометры; 5 —
скважина; 6 — рабочий орган вибратора; 7 — фильтрационная труба; 8—
мерный бак. Рис. З. Изменение коэффициента фильтрации kifko песков во времени при низкочастотном вибрационном воздействии: а — без разуплотнения; 1 2, 3, 4 — кривые соответственно для пьезометров 3—2 и 2—1, 5—4, 6—5, 4—3; б—с разуплотнением; 1, 2, 3 — кривые соответственно для пьезометров 2—1, 3—2 и 4—3
Отличительные особенности вибрационного воздействия на несвязные водонасыщенные среды — возможность уплотнения пористой среды, разжижения пород и изменения их суффозионных характеристик. Особенно важна оценка интенсивности этих процессов при изучении ремонтопригодности гравийных фильтров.
Для изучения влияния низкочастотной вибрации на фильтрационные характеристики песков проводились лабораторные эксперименты на модели скважины (рис. 2) с геометрическими характеристиками, близкими к натурным.
Цель экспериментов состояла в изучении фильтрационных характеристик песка до и после вибрационной гидродинамической обработки, продолжительность которой составляла 10 мин. Критерием оценки служил коэффициент фильтрации, который определялся поинтервально — в зоне между соседними пьезометрами.
Опыты проводили с двумя видами песка: со значительным коэффициентом неоднородности при диаметре частиц в пределах 0,1... 1,0 мм и однородным с диаметром частиц 0,3.. .0,6 мм. Песок укладывали в фильтрационную трубку послойно и уплотняли в процессе укладки.
Закономерности изменения коэффициента фильтрации водоносных однородных и неоднородных песков оказались весьма близкими (рис. 3). Процесс изменения фильтрационных характеристик стабилизируется весьма быстро, через 2.. .4 мин. Максимальное уплотнение наблюдается в непосредственной близости от источника вибрации. В ряде опытов наблюдалось разуплотнение водоносных пород после проведения вибрации.
же рода закономерности имеют место и при варьировании частотных характеристик вибрации от 6,8 до 14,5 Гц, а также при изменении амплитуды колебаний.
Максимальное снижение водопроницаемости песков не превышает 35 %, а если исключить зоны разуплотнения пород, то среднее уменьшение коэффициента фильтрации пород после вибрации не превышает 7. ..15%.
Аналогичные результаты были получены при проведении экспериментальных исследований электровибрационного воздействия. При этом не только моделировалось и исследовалось уплотнение пористой водоносной среды, но и изучалась возможность кольматации и пескования гравийных фильтров при различных коэффициентах межслойности.
Опыты проводили отдельно для песка фракций D50 = 0,3 мм,
D50 = 0,5 мм либо
D50 = 0,7 мм и гравия D50 = 3 мм, так и для системы песок — гравий, имитирующей скважину, каптирующую водоносный горизонт, с гравийной обсыпкой. В последнем случае использовали песок фракций
D50 = О,3 мм, D50 = 0,5 мм
либо D50 = 0,7 мм и гравий неизменной фракции
D50 = 3 мм.
Величина ki/k0 убывает по закону, близкому к экспоненциальному вне зависимости от структуры среды (рис. 4). С увеличением эффективного диаметра частиц песка наблюдается более интенсивное снижение коэффициента фильтрации. Стабилизация фильтрационных свойств достигается к 6.. .9 мин работы разрядника для песков, 12. ..15 мин — для гравия и к 10. ..12 мин — для системы песок — гравий. По истечении 10. ..15 мин коэффициент фильтрации практически не зависит от времени воздействия. Опыты при различных соотношениях эффективных диаметров частиц песка и гравийной обсыпки показали, что с ростом среднего диаметра частиц песка изменение коэффициента фильтрации уменьшается. Это объясняемся уменьшением проникновения песка в результате
суффозии в зону гравия. При соотношениях D50/d50<=6, то есть близких к критерию
геометрической непросыпае-мости, проникновение частиц пласта в зону обсыпки не
наблюдается.
Рис. 4. Изменение коэффициента фильтрации во времени при электровибрационном воздействии: 1 — для песков; 2 — для системы лесок — гравий; 3 — для гравия.
Варьирование частотных характеристик в диапазоне 5.. .200 Гц мало сказывается на изменении коэффициента фильтрации и времени его стабилизации.
При электровибрационном воздействии так же, как и при вибромеханическом, падение коэффициента фильтрации незначительно и не превышает 15%.
В фильтрах с гравийной обсыпкой заметное снижение водопроницаемости гравия вследствие проникновения песчаных частиц в его поры отмечается при коэффициенте межслойности более 10, однако и в этом случае оно не превышает 30 %.
3. Классификация методов восстановления дебита.
Основная задача работ при восстановлении дебита скважин на воду, оборудованных фильтрами, — удаление кольматирующих отложений с наружной поверхности фильтра и из прифильтровой зоны (гравийная обсыпка). Очистка внутренней поверхности фильтра при восстановлении дебита скважин малоэффективна.
Рис. 1. Классификация методов восстановления дебита скважин на воду.
Методы восстановления дебита скважин на воду в зависимости от характера воздействия на фильтр и прифильтровую зону делятся на реагентные, импульсные и импульсно-реагентные (рис. 1).
Реагентные методы основываются на растворении кольматанта реагентами, подаваемыми в прифильтровую зону скважины.
Импульсные методы восстановления дебита скважин основаны на создании внутри фильтра и в прифильтровой зоне мгновенного перепада давления, что приводит к ударным нагрузкам разной интенсивности и появлению фильтрационных потоков переменного направления при значительных градиентах.
Совокупное действие ударных и фильтрационных сил оказывает разрушающий эффект на кольматант, цементирующий фильтр и призабойную зону скважины.
Эти методы применяют чаще других, что объясняется простотой используемого оборудования и значительным эффектом, достигаемым после относительно нетрудоемких работ. Для восстановления дебита водозаборных скважин в них осуществляют взрыв торпед из детонирующего шнура (ТДШ), электрогидравлический удар, пневмовзрыв и имплозию. Близкое по характеру воздействие скважина испытывает при пульсирующей прокачке эрлифтом, пусках — остановках погружных насосов, свабировании, гидравлических ударах в фильтрах, вызываемых сбрасыванием в них желонки или какого-либо другого груза, а также созданием взрывной смеси газов непосредственно над забоем восстанавливаемой скважины.
Наиболее длительное время (более 25 лет) используется импульсный, метод со взрывом ТДШ.
Широкое развитие получил также импульсный метод с электрогидравлическим ударом, осуществляемым с помощью серийно выпускаемых установок.
Пневмовзрывная обработка скважин, связанная с выхлопом в фильтре сжазгого воздуха, была предложен на В. А. Склянским в АзНИИ водных проблем.
Имплозионное воздействие используется в ограниченных масштабах в качестве сопутствующего процесса при опробовании пластов пластоиспытателями на паке-ре путем создания разряжения в подпакерной зоне.
Сочетание импульсных и реагентных методов обеспечивает большую эффективность вследствие создания более равномерной водопроницаемости пород в прифильтровой зоне по вертикали и развитой поверхности кольматанта при импульсном воздействии.
Импульсно-реагентные методы были разработаны ВНИИ ВОДГЕО для восстановления дебита скважин, эксплуатировавшихся длительное время или имеющих неоднородную в разрезе прифильтровую зону. Использование других методов на таких скважинах было малоэффективным.
Сочетание разрушения кольматанта с интенсивным гидродинамическим воздействием в прифильтровой зоне скважины улучшило извлечение кольматирующих образований. Различают три разновидности импульсно-реагентных методов: производство взрыва ТДШ, электро-гидроудара или пневмовзрыва с последующей реагентной обработкой, сочетание реагентной обработки с одновременным импульсным воздействием, которое производится дискретно, реагентно-импульсное воздействие с импульсом небольшой интенсивности, но характеризующееся некоторыми частотными (вибрационными) параметрами, к этой группе методов относят виброреа-гентные низкочастотные способы, основанные на использовании механических вибраторов типа ВУР-2, ВУР-3, электровибрирование и реагентно-акустические.
Интенсификация процесса растворения кольматиру-ющих отложений и увеличение степени извлечения цементирующих отложений с фильтра и из прифильтровой зоны достигаются подогревом растворителя в специальном подогревателе в ходе реагентной или импульсно-реагентной обработки. С этой же целью в скважину вводят вещества, обусловливающие интенсивный эндотермический эффект в ходе взаимодействия с растворителями, и осуществляют (импульсное воздействие в режиме, приводящем к тепловыделению.
