geomaster2010 (geomaster2010) wrote,
geomaster2010
geomaster2010

Category:

Особенности освоения водозаборных скважин в предгорных конусах выноса

           
           Тагильцев С.Н., Лукьянов А.Е. Особенности освоения водозаборных скважин в предгорных конусах выноса. - Уральская горнопромышленная декада 2011.

     Месторождения пресных подземных вод в предгорных конусах выноса являются уникальными природными объектами. В процессе работы на одном из крупных месторождений пресных подземных вод в предгорьях Большого Кавказа был отмечен целый ряд интересных особенностей и природных закономерностей, свойственных данному типу месторождений. Опытные работы в нескольких десятках водозаборных скважин, вскрывающих водоносную толщу трех крупных предгорных конусов выноса, показали, что указанные особенности требуют определенного подхода к процессу разведки, освоения и эксплуатации месторождений данного типа.

     

На участке изученного месторождения распространены высоконапорные пресные подземные воды. Значительный объем атмосферных осадков и благоприятные условия питания подземных горизонтов за счет сбора поверхностного и подземного стока со склонов Большого Кавказского хребта обеспечивают формирования значительных ресурсов подземных вод на данной территории. Разведочно-эксплуатационные скважины на участке месторождения обладают чрезвычайно высокими дебитами самоизлива, составляющими от 15 до 120 л/с, что чрезвычайно редко встречается в гидрогеологической практике. Величина напора закономерно возрастает в направлении от горного склона к периферийной части конусов. 

    Основной проблемой при вводе в эксплуатацию водозаборных скважин стал значительный вынос взвешенных частиц. Некоторые скважины давали на самоизливе мутную или грязную воду, непригодную для использования в целях водоснабжения. Дебит «грязных» скважин составлял от 10 до 50 л/с, вынос твердого песчано-глинистого материала нередко достигал 0,4 м3/сут, в отдельные моменты повышаясь до нескольких кубометров в сутки. При откачках при помощи насоса вынос песчаного материала мог превышать 10 м3/сут, что создавало угрозу потери устойчивости эксплуатационной колонны и обрушения скважины. Ранее на месторождении отмечались случаи потери скважин в результате просадки грунта, приводившие к образованию небольших техногенных озер с дебитом самоизлива до нескольких десятков литров в секунду.

     Опыт четырех месяцев полевых работ по освоению и тестированию водозаборных скважин на участке месторождения позволил обозначить два взаимосвязанных негативных фактора, ограничивающих эксплуатационные возможности скважин:

                1. Суффозионный вынос взвешенных песчаных частиц.

                2. Нарушение ламинарного режима течения подземных вод в прискважинной зоне.

      Значительный суффозионный вынос, наблюдавшийся при прокачках водозаборных скважин, можно объяснить двумя причинами. С одной стороны, суффозионные процессы обусловлены исключительно природными геологическими факторами. Тонкодисперсный состав песков основного водоносного горизонта, широкое распространение глинистых отложений, молодой возраст осадочных пород, сложное строение и генезис, а также низкая степень консолидации делает их весьма неустойчивыми при эксплуатации скважин с высокими дебитами, обеспечивающих чрезвычайно высокие скорости фильтрации в пласте. Высокие скорости фильтрации приводят к высокой подвижности как отдельных песчаных частиц, так и всей массы грунта в целом. Высокая подвижность и вынос песчаного материала также может быть спровоцирован за счет вибрационной нагрузки на скважину вследствие работы водоподъемного оборудования. Водонасыщенный рыхлый песчаный материал обладает высокими текспотропными свойствами, т.е. под действием вибрации легко теряет устойчивость и начинает вести себя как жидкость.

          С другой стороны, чрезвычайно высокий суффозионный вынос песчаного материала при откачках был вызван недостаточной подготовленностью водозаборных скважин к сложным геологическим условиям. В затрубное пространство скважин засыпался крупный гравийно-галечниковый материал, неспособный работать в качестве фильтра. Применение в качестве обсыпки более мелкой фракции, позволило в дальнейшем существенно снизить негативные суффозионные процессы по ряду скважин. 

        Во избежание существенного выноса песчаных частиц было предложено проводить опытные откачки плавно, без резких пусков и остановок насоса. Практика работ показала, что соблюдение плавного режима работы позволяет благополучно осваивать водозаборные скважины и получать по ним дебиты чистой воды в 1,5 - 2,5 раза превышающие дебиты самоизлива. Отклонение от указанной методики работ, вызванное желанием ускоренного получения результата (проектного дебита в 70 л/с), либо вызванное неравномерной пульсирующей работой водоподъемного оборудования и частыми остановками, неизменно приводило к негативным последствиям. Вода, откачиваемая из скважины, становилась грязной и не очищалась длительное время. Имели место случаи, когда работы по некоторым скважинам пришлось приостановить из-за критического выноса песчаного материала.

          Другим фактором, ограничивающим эксплуатационные возможности водозаборных скважин, является нарушение линейного закона фильтрации в прискважинной зоне при откачках с высокими дебитами. Данный процесс выражается в изменении линейной зависимости дебита от понижения и переходу ее к квадратичной или даже кубической. 

        При повышении скорости фильтрации в порах грунта происходит переход от линейного режима движения воды к турбулентному. Основной негативный эффект выражается в резком падении пропускной способности порового пространства при возникновении переходного режима. В результате, удельный дебит скважины резко снижается и для дальнейшего увеличения дебита на 10-20% нередко требуется увеличить понижение в 2-3 раза, что не всегда возможно по техническим причинам. Таким образом, нарушение ламинарного режима фильтрации накладывает жесткий лимит на эксплуатационные возможности скважин.

          Характерно, что правильное пошаговое освоение скважины с постепенным увеличением дебита откачки помогает несколько снизить данный негативный эффект. Нарушение ламинарного режима фильтрации проявляется в большей степени в неосвоенных скважинах при наиболее низких фильтрационных свойствах водоносного горизонта. Это означает, что наибольшие ограничения по дебиту создаются для наименее удачных скважин, вскрывающих слабопроницаемый разрез. После проведения прокачек с небольшими дебитами по наименее удачным скважинам граница перехода к нелинейному режиму фильтрации была отодвинута, предельный эксплуатационный дебит существенно возрос.

Помимо чисто гидродинамических ограничений, эффект нарушения ламинарного режима фильтрации оказывает значительное влияние на повышение выноса песчаной фракции из горизонта. Дело в том, что зона нелинейной фильтрации, формирующаяся вокруг скважины, является чрезвычайно неустойчивой. Скорости фильтрации воды и проницаемость пор в этой зоне могут испытывать значительные флуктуации в короткие периоды времени. При откачках с дебитом, соответствующим пределу ламинарного течения, неоднократно отмечались значительные колебания динамического уровня в скважинах с амплитудой в несколько метров. Переменный режим скоростей фильтрации в пласте влечет за собой сдвижение песчаных частиц, нарушение структуры прискважинной зоны и ускоренный вынос грунта.

Таким образом, производительность водозаборных скважин ограничивается природными геологическими факторами. Решающим фактором при этом является величина фильтрационных свойств водоносного горизонта. На участках с высокими фильтрационными свойствами наблюдается наименьшее количество проблемных ситуаций. Наименее удачные скважины располагаются на периферии конуса выноса, на значительном расстоянии от горного склона, что предопределяет наличие в разрезе преимущественно глинистых отложений.

Для успешной эксплуатации водозаборных сооружений в пределах уникальных месторождений пресных подземных вод в предгорных конусах необходимо учитывать все природные особенности, а также принимать во внимание некоторые негативные гидродинамические эффекты, происходящие в скважинах. Ключевым фактором при разведке таких месторождений является поиск локальных участков, обладающих наиболее высокими фильтрационными свойствами, в пределах которых риск проявления природных негативных процессов является минимальным.

 

 
Tags: Кавказ, водообильные, водоснбажение, воды, конус выноса, месторождение, подземные, пресные, скважины, уникальные
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments