КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ДЕСЯТЕРИК РОМАН ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 628.112.24

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ХІМІЧНОЇ РЕГЕНЕРАЦІЇ ВОДОЗАБІРНИХ СВЕРДЛОВИН

Спеціальність 05.23.04. – Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: ТУГАЙ АНАТОЛІЙ МИХАЙЛОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри водопостачання Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: ХОРУЖИЙ ПЕТРО ДАНИЛОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач відділом сільськогосподарського водопостачання та каналізації Українського науково-дослідного інституту гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук.

СТОРЧАК ВАЛЕНТИНА АНДРІЇВНА

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент державного інституту управління та економіки водних ресурсів Держводгоспу України.

Провідна установа: Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться 14.02.2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп., 31. ауд.319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп. 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий 12.01.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш реальних напрямків розв’язання проблеми забезпечення населення якісною питною водою є інтенсифікація використання ресурсів підземних вод, які вирізняються високими показниками якості. В межах України водоносні горизонти, що містять воду питної якості, залягають на відносно великих глибинах, тому основними спорудами, які використовуються для забору води з них, є водозабірні свердловини. Разом з тим практика показує, що багато свердловин працюють не досить ефективно: вони замулюються, заповнюються піском, отвори в фільтрі та прифільтрова ділянка заростають різними мінеральними та хімічними сполуками, фільтри нерідко піддаються впливу корозії або руйнуються з інших причин. Все це призводить до зниження продуктивності і виходу свердловини з ладу.

В умовах постійного росту витрат на будівництво трубчатих колодязів і свердловин все більшої актуальності набуває розробка нових, заснованих на передових наукових рішеннях і підходах, технологій підвищення фондовіддачі діючих споруд за рахунок забезпечення стабільності їх продуктивності в часі.

В межах України, а також в більшості країн СНД, для відновлення дебіту свердловин використовуються різні методи (як механічного, так і хімічного характеру). Не дивлячись на значну кількість проведених в даній сфері досліджень, існуючі методики розрахунку параметрів декольматації свердловин хімічними методами (зокрема методом реагентної ванни) недосконалі, бо не враховують цілу низку важливих факторів, а отже не дозволяють в повному об’ємі і надійно обґрунтувати технологічні параметри регенерації. Тому дослідження процесів очищення свердловин від кольматуючого осаду з метою розробки більш надійних розрахункових методів і підвищення ефективності обробок все ще залишається актуальною науковою і господарською проблемою.

Окреслена низка невирішених питань має важливе народногосподарське значення для України, свідчить про актуальність проблеми, пов’язаної з покращенням постачання населених пунктів питною водою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках державної програми “Питна вода України” і тісно пов’язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0104U093284)

Мета і задачі досліджень.

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні і розробці більш надійних методів розрахунку і контролю технологічних параметрів регенерації робочих частин свердловин водопостачання в умовах взаємодії реагента з кольматуючими фільтр і прифільтрову зону хімічними відкладеннями.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – водозабірні свердловини систем водопостачання.

Предмет дослідження – технологічні параметри процесу регенерації свердловин способом реагентної ванни.

Методи дослідження – математичне моделювання процесів регенерації свердловини способом реагентої ванни в умовах стаціонарного і нестаціонарного температурного поля присвердловинної зони, використання чисельних і аналітичних методів визначення параметрів вказаних процесів, науковий аналіз і порівняння результатів теоретичних розробок з існуючими дослідними даними.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено інженерні методики і рекомендації для розрахунку основних технологічних параметрів процесу регенерації водозабірних свердловин способом реагентної ванни. Запропоновані методики дозволяють без проведення допоміжних операцій та з достатньою точністю визначити основні параметри процесу відновлення дебіту свердловини.

Запропонований новий метод визначення кількості реагентного розчину для вилучення кольматанта, який базується на врахуванні структурних особливостей закольматованих зон та даних хімічного аналізу кольматанта.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на підприємстві ДКП „Вишнівськводоканал”, що дозволило підвищити ефективність регенерації водозабірних свердловин та додатково подати води місту Вишневе Київської області на 4.6 тис.м3 в розрахунку на рік.

Особистий внесок здобувача.

Наукові результати, що викладені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем на основі виконаного аналізу існуючих математичних моделей і методів визначення технологічних параметрів хімічної регенерації водозабірних свердловин. Проведено наукове обґрунтування процесів розчинення хімічного кольматанта свердловин та впливу різних факторів на процес регенерації. Обґрунтовані та реалізовані математичні моделі реагентної та термореагентної технологій відновлення дебіту свердловин. Запропонований удосконалений метод для визначення кількості реагентного розчину, необхідного для вилучення кольматуючого осаду з фільтра та прифільтрової зони свердловини.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати та положення дисертації доповідались на 64-67-й науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури „Наукові дослідження і розробки інтенсифікації роботи систем водопостачання та водовідведення” (м. Київ, 2003-2006 рр.), на 60-й науково-практичній конференції Харківського державного університету будівництва і архітектури (м. Харків 2005р.), на науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2006 р.).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 7 друкованих робіт у різних виданнях України, в тому числі 6 у фахових виданнях, регламентованих ВАК.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 146 найменувань і 1 додатка. Робота викладена на 162 сторінках, містить 22 рисунки, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі приводиться обґрунтування актуальності даної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладена їх наукова та практична цінність.

У першому розділі розглядаються процеси хімічної кольматації робочої частини свердловини (умови утворення осаду, хімічний та мінералогічний склад кольматанта, та ін.). Звернено увагу на те, що в межах України робочі зони свердловин кольматуються переважно сполуками заліза, основними з яких є Fe(OH)3, Fe2O3, FeCO3 і FeS, та сполуками кальцію і магнію у вигляді CaCO3 і MgCO3. Виявлено існування цілого ряду інших хімічних елементів ( Al, P, Si, Mn), сполуки яких зустрічаються в більшості зразків і за певних гідрогеологічних умов справляють значний вплив на інтенсивність утворення осаду.

У зв’язку з наявністю значної кількістю причин, що призводять до зменшення продуктивності свердловин, на даний час вченими (Алексєєв В.С., Гаврилко В.М., Гребенніков В.Т., Коммунар Г.Н., Прокопчук І.Т., Вольницька Е.М., Романенко В.О. та ін.) розроблено чимало методів їх ремонту та регенерації. В даному розділі виконано ґрунтовний аналіз існуючих технічних методів декольматації свердловин, висвітлено їх переваги та недоліки. Так як регенерація водозабірних свердловин найбільш ефективно і економічно здійснюється реагентними методами, то значна увага приділяється розгляду реагентів, що використовуються для хімічної регенерації фільтрів та прифільтрових зон.

Розглядаються існуючі математичні моделі (Верігін М.М., Гаврилко В.М., Тугай А.М., Олійник О.Я.), що описують фізико-хімічні процеси при декольматації свердловин методом реагентної ванни, як одного з найпоширеніших в практиці і найперспективніших хімічних методів. Зокрема детально розглядається модель А.М.Тугая, як одна з найдосконаліших і повних на даний час. Показано, що розроблені моделі не враховують такі важливі фактори, як багатокомпонентність кольматуючого осаду, нерівномірність відкладення кольматанта в межах прифільтрової зони свердловини та інші. Крім того, жодна з розглянутих моделей не дозволяє визначити параметри процесу декольматації при проведенні термореагентних обробок закольматованих прифільтрових зон.

На основі критичного аналізу низки вищерозглянутих питань з точки зору їх дослідженості на даний час робляться висновки та формулюються мета і задачі досліджень за темою дисертації.

У другому розділі розглядається комплекс питань стосовно регенерації водозабірних свердловин по методу реагентної ванни. Для оцінки кінетики розчинення кольматанта та визначення необхідної кількості реагента важливе значення має інформація про перерозподіл сольових відкладень в об’ємі прифільтрової зони. Дані розкриття прифільтрових зон деяких свердловин свідчать про те, що для адекватної оцінки структури закольматованої зони достатньо врахувати лише її радіальну неоднорідність. На основі аналізу даних літературних джерел пропонується прифільтрову зону умовно розділити на дві ділянки:

1. Прилегла до фільтра ділянка товщиною , де величина насичення пор кольматантом досягла граничного значення А. В межах даної ділянки величина об’ємної концентрації кольматанта матиме значення

(1)

2. Інша частина закольматованої зони з межами , де залежність концентрації кольматанта може бути описана за допомогою експоненціальної функції вигляду

(2)

де коефіцієнти рівняння Аі і Ві визначаються

(3)

де - максимальна об’ємна концентрація осаду на відстані r від осі свердловини перед проведенням першого етапу обробки; no – початкова пористість грунта (гравійної обсипки); rc – радіус каркасу фільтра, м; R – радіус зони кольматації, м.

Рис.1. Схема кольматації

присвердловинної зони.

Варто прийняти до уваги, що на межі зони кольматації концентрація кольматанта з достатньою точністю може бути визначена за формулою

(4)

де р=0,35..0,9 %; - щільність осаду, кг/м3; Gгр – щільність породи водоносного шару (гравійної обсипки), кг/м3.

Коефіцієнт Ві може бути визначений за графіком (рис.2), що побудований при R=0.5м.

Рис.2. Визначення коефіцієнта Ві.

де (5)

- середня величина максимальної об’ємної концентрації осаду в межах прифільтрової зони перед проведенням першого етапу обробки.

Відомі математичні моделі реалізовані за умови, що осад представлений лише одним компонентом (зазвичай це залізо), що не зовсім відповідає дійсності. Оскільки в реальних умовах кольматант завжди є багатокомпонентним, то для визначення кількості солей кольматанта, розчинених в реагенті за час регенерації t, введено величину приведеної концентрації Спр. По суті величина Спр вказує загальну масу всіх сполук, що розчинені в одиниці об’єму реагента на час регенерації t.

При побудові математичних моделей регенерації свердловини слід звернути увагу на те, що осад знаходиться і на внутрішніх стінках ствола свердловини і в порах прифільтрової зони. Процес розчинення осаду, що знаходиться всередині свердловини, може бути описаний наступною системою рівнянь: рівняння динаміки зміни маси кольматанта m на поверхні фільтра (6) та рівняння динаміки насичення розчину реагента солями кольматанта (7)

(6)

(7)

при наступних початкових і граничних умовах

, , ; , , ;

де D - коефіцієнт молекулярної дифузії реагентного розчину, м2/год; Спр(r,t) - концентрація солей в реагенті в час регенерації t на відстані r від осі свердловини, кг/м3; Сmnp - концентрація насичення реагента солями кольматанта, кг/м3; F - площа поверхні розчинення, м2; Со – початкова концентрація кольматанта в реагенті, кг/м3; – поточне і початкове значення маси кольматанта на фільтрі перед проведенням регенерації, кг.

де hф – висота фільтра, що регенерується, м; ; і - відповідно поточне і початкове значення товщини кольматанта на внутрішніх стінках свердловини, м.

При вирішенні системи (6)-(7) отримані залежності для визначення величини концентраціїї кольматанта в реагентному розчині та зміни товщини сольових відкладень на внутрішній поверхні фільтра у наступному вигляді

(8)

(9)

Математична модель декольматації прифільтрової зони з урахуванням приведеного вище аналізу достатньо обґрунтовано може бути сформульована у вигляді наступної системи рівнянь

(10)

(11)

де - коефіцієнт швидкості розчинення кольматанта, м/с; Vз.і - об’єм і-тої концентричної ділянки прифільтрової зони, м3; - об’ємна концентрація кольматанта на відстані r від осі свердловини на початку к-того етапу обробки; - об’єм реагента, що знаходиться на відстані r на к-тому етапі обробки, м3.

Вирішивши систему рівнянь (10)-(11) при наступних початкових умовах і виконавши ряд перетворень, одержимо залежність вигляду

(12)

де

d0 і - початкові діаметр часток грунта і питома поверхня часток відповідно.

Рівняння кінетики насичення реагента солями кольматанта запишеться як

(13)

Реалізована математична модель декольматації прифільтрової зони на відміну від аналогів враховує такі важливі фактори, як нерівномірність відкладення осаду в межах зони кольматації та багатокомпонентність кольматанта.

У третьому розділі виконано ґрунтовний аналіз впливу температурного фактору на процес розчинення кольматанта свердловин. При проведенні термореагентних обробок температура розчину не є постійною і в умовах присвердловинної зони з часом суттєво змінюється. Як наслідок, знижується швидкість розчинення осаду, що потребує врахування даного фактору при побудові моделей обмінної кінетики. При регенерації свердловини за допомогою термореагентної технології обробки модель, що описує процес декольматації, буде включати три основні рівняння:

1. рівняння динаміки зміни теплового поля реагента;

2. рівняння матеріального балансу речовини;

3. рівняння кінетики розчинення кольматанта.

Оскільки термодинамічні характеристики реагента практично не залежить від величини його насиченості кольматантом, то рівняння 1 може бути вирішено окремо. Процеси розповсюдження тепла в прифільтровій зоні свердловини можуть бути описані на основі рішення загального диференційного рівняння теплопровідності Фур’є при застосуванні відповідних початкових і граничних умов, що фіксують технологічні особливості застосовуваного методу нагрівання реагентного розчину. Результати виконаних розрахунків дозволяють записати рівняння для визначення характеристик температурного поля реагента при застосуванні конкретного методу нагрівання розчину у наступному вигляді:

- при застосуванні електричного нагрівача (ТЕНа)

(14)

де а – температуропроводність середовища, м2/год; Тн –температура поверхні нагрівача, К; То –початкова температура середовища, К; rн – радіус корпуса нагрівача, м.

- при застосуванні хімічного нагрівача

(15)

де ; - тепловий ефект реакції, Дж/моль; - мольна маса нагріваючого агента, кг/моль; - інтенсивність введення нагрівача, кг/с; - теплопровідність породи, Вт/м*К; - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2*К; mр.св- маса рідини в стволі свердловини, кг; ср–теплоємність реагента, Дж/кг* К.

- при застосуванні електролізера спеціальної конструкції

(16)

де (17)

Тзак – температура реагента після його закачування, К; і - відповідно щільність реагента і породи прифільтрової зони, кг/м3; і - відповідно питома теплоємність породи і реагентного розчину, Дж/К*кг.

- при застосуванні методу, який передбачає нагрівання реагента на денній поверхні з наступною його подачею до свердловини, процес охолодження реагента в прифільтровій зоні свердловини буде описуватись вищеприведеними залежностями (16)-(17). При цьому слід враховувати, що протягом закачування реагентний розчин значною мірою охолоджується, що потребує надання йому надлишку теплової енергії.

За результатами проведених досліджень встановлено недоліки та переваги кожного з методів нагрівання при їх застосуванні в конкретних технологічних і гідрогеологічних умовах.

Процес розчинення кольматуючого осаду в умовах термореагентної обробки свердловини ускладнюється тим фактором, що температурне поле середовища змінюється в часі, а отже основна величина, що контролює процес відведення відпрацьованого реагента від поверхні контакту, - коефіцієнт молекулярної дифузії D, не матиме постійного значення. Залежність значення коефіцієнта D від температури розчину при застосуванні ТЕНа встановлюється на основі відомого рівняння Стокса-Ейнштейна, яке при використанні рівняння (14) може бути записано наступним чином

(18)

де Аі і Ві – сталі коефіцієнти, що залежать від виду реагента та його концентрації; і - відповідно коефіцієнт дифузії і коефіцієнт динамічної в’язкості при температурі розчину То.

Виконаний аналіз дозволяє достатньо обґрунтовано сформулювати математичну модель регенерації прифільтрової зони свердловини при її термореагентній обробці у наступному вигляді

(19)

(20)

де ;

При вирішенні системи (19)-(20) з урахуванням початкової умови отримано слідуючі залежності для визначення кінетики зміни концентрацій кольматанта в породі прифільтрової зони та реагентному розчині відповідно

(21)

(22)

де - часова функція

(23)

Оскільки знаходження значення функції можливе лише за допомогою наближених методів, що ускладнює використання отриманого рівняння, то була зроблена спроба спрощення вихідних рівнянь моделі шляхом апроксимації залежності (14) за допомогою більш простої математичної функції вигляду

(24)

де p і q – константи, що залежать від координати точки; - безрозмірний критерій Фур’є; а – температуропроводність середовища, м2/год.

Рівняння для обчислення функції часу, отримане при застосуванні наведених спрощень, матиме вигляд

(25)

де

При порівнянні результатів обчислень параметрів регенерації за умови використання залежностей (23) і (25) встановлено, що похибка знаходиться в межах 5%, що доводить доцільність використання більш простої залежності (25) для практичних розрахунків.

Отримані залежності дають змогу прослідкувати кінетику розчинення осаду при нагріванні реагента за допомогою ТЕНа. Як з’ясовано, при застосуванні інших способів нагрівання реагентного розчину відбувається його поступове охолодження. Залежність температури в даному випадку також доволі точно апроксимується формулою (24). За даних умов процес регенерації описується рівняннями (21) і (22) при значенні часової функції

(26)

Четвертий розділ присвячений визначенню деяких вихідних параметрів регенерації. Одним з найбільш важливих параметрів є кількість реагентного розчину, що подається до свердловини. У відповідності з запропонованим методом визначення кількості розчину сумарний об’єм реагента для проведення к-того етапу обробки

(27)

Об’єм реагента, який можна розмістити в свердловині на будь-якому етапі обробки, приблизно дорівнює

(28)

де hсв – висота ствола свердловини, що заповнена реагентом, м.

На кожному етапі обробки кількість реагента, що можна розмістити в прифільтровій зоні, лімітується залишковою пористістю грунта. Проведені розрахунки з урахуванням даних про структурні особливості закольматованих присвердловинних зон дозволяють записати залежність для визначення об’єму розчину реагента для регенерації прифільтрової зони на к-тому етапі обробки в наступному вигляді

(29)

Запропоновані залежності дозволяють визначити необхідний об’єм розчину реагента на будь-якому етапі обробки свердловини.

При побудові математичних моделей було введено величину приведеної концентрації солей кольматанта в реагентному розчині Сnp, що дозволяє врахувати багатокомпонентність кольматуючого осаду. Отримані залежності для визначення поточного і максимального значень концентрації можуть бути представлені у наступному вигляді

(30)

де mi - вміст і-тої сполуки у складі кольматанта, %; mнз - вміст сполук, що становлять нерозчинний залишок, %; Сi - концентрація і-тої сполуки в реагенті на час регенерації t, кг/м3; Сmі - значення концентрації насичення реагента і-тою сполукою при розчиненні однокомпонентного кольматанта, кг/м3.

Відомо, що протікання самого процесу регенерації супроводжується певною кількістю побічних процесів, впливу яких, як правило, неможливо уникнути. Серед них слід відзначити наступні:

1.

2.

3.

Кожна точка закольматованої зони свердловини характеризується своїм значенням насиченості пор кольматантом. Отже очевидно, що динаміка насичення розчину реагента в кожній точці буде різною. Тому було оцінено процес вирівнювання концентрацій кольматанта в реагенті на основі рішення диференційного рівняння Фіка. Виконаний аналіз впливу дифузійного фактору на процес регенераціі показав, що різниця результатів з урахуванням даного фактора і без його урахування не перевищує 0,5%, що дозволяє в подальшому знехтувати впливом даного процесу на точність обчислень.

При регенерації свердловин за допомогою реагентів-нейтралізаторів спостерігається виникнення газліфту. Гази, що накопичуються в підпакерному просторі, створюють певний тиск на поверхню реагентного розчину. Основні вихідні параметри процесу показані на рис.3.

Рис. 3. Принципова схема явища газліфту.

Нв - статичний рівень води у водоносному горизонті, м;

Нр - динамічний рівень розчину реагента у свердловині на час регенерації t, м;

hо - висота встановлення пакера над статичним рівнем, м;

S - висота ствола свердловини, що зайнята газом на час регенерації t, м;

Pат - атмосферний тиск, Па;

Qг - кількість газу, що виділяється, кг/год.

Запропоновані залежності, що дають змогу оцінити об‘єми і динаміку задавлення реагентного розчину в затрубний простір за домомогою газліфту, можуть бути представлені в наступному вигляді:

- для безнапірних горизонтів

(31)

- для напірних горизонтів

(32)

де Rc - газова стала суміші газів, ; Т – температура газів, К; G(t) - маса газів, що виділилася за час регенерації t, кг; - густина води і розчину реагента відповідно, кг/м3; - тиск, що встановиться у свердловині після закачування реагента, Па.

(33)

де Vp - об’єм реагента, м3; yin - коефіцієнт, що являє собою відношення молекулярних мас i-того газу, який виділився при n-ній реакції реагента з певним компонентом кольматанта, та продукту реакції.

Розроблена методика дозволяє, маючи дані про хімічний склад кольматаційних відкладень, спрогнозувати протікання процесу газліфту.

При проведенні реагентної або термореагентної обробки густина розчину реагента, як правило, відрізняється від густини пластової води. Це зумовлює виникнення процесів спливання (при ) або опускання (при) розчину реагента в межах водоносного пласта.

Результатом цих явищ є нерівномірність протікання процесів розчинення кольматанта по вертикалі. На основі виконаного аналізу було складено рівняння руху реагента в пористому середовищі, при вирішенні якого отримана наступна залежність для визначення величини вертикального переміщення розчину в прифільтровій зоні за час t

(34)

де k- коефіцієнт пропорційності, що встановлює залежність між силою опору та швидкістю фільтрації розчину через грунт, Н*с/м; mp.з - маса реагента в прифільтровій зоні, кг.

Результати аналізу впливу даного фактору на ефективність очищення прифільтрової ділянки від кольматуючого осаду приведено на рис.4. Розрахунки виконано при використанні формул (12) і (34) та наступних вихідних даних: реагент - HCl (20%); ; ; ; ; ; ;. Залежності зміни залишкової концентрації кольматанта в поровому просторі показано пунктирною і суцільною лініями для випадку обчислень без урахування і з урахуванням фактору відповідно. Римськими цифрами позначено порядковий номер етапу обробки прифільтрової зони.

На основі аналізу рис.4. можна зробити висновок, що при значних величинах градієнтів щільності розчину і води та малих значеннях коефіцієнта пропорційності к процеси переміщення розчину реагента в прифільтровій зоні мають бути враховані при виконанні робіт по регенерації свердловини.

Рис.4. Вплив градієнта щільності розчину на ефективність регенерації.

У п‘ятому розділі проводиться апробація побудованих моделей та запропонованих методів розрахунку параметрів регенерації свердловин способом реагентної ванни з залученням даних досліджень різних авторів. Зокрема результати співставлення даних лабораторних досліджень В.С.Алексєєва і отриманих за допомогою рівняння (14) представлені на рис.5.

Рис.5. Порівняння результатів теоретичних і лабораторних досліджень.

Також для перевірки правильності отриманих рівнянь було виконано їх порівняльний аналіз з моделлю А.М.Тугая, як однією з найбільш досконалих на даний час. Результати порівняльного аналізу наведено в табл. 1.

Таблиця 1.

Порівняння результатів обчислень

за допомогою різних математичних моделей.

t, хв | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30

Запропонована модель | 0,296 | 0,492 | 0,633 | 0,736 | 0,809 | 0,862

Модель А.М.Тугая | 0,282 | 0,482 | 0,627 | 0,732 | 0,815 | 0,870

Виконаний порівняльний аналіз дозволяє позитивно оцінити побудовані математичні моделі і розроблені на їх основі методи розрахунку, які дозволяють більш надійно визначити параметри процесу регенерації свердловин. Виходячи з результатів порівняння можна зробити висновок, що за умови практично однакової точності запропонована модель є більш компактною і водночас більш повною за своїм змістом.

Для визначення технологічних параметрів процесу регенерації свердловин методом реагентної ванни пропонується наступний алгоритм розрахунку (рис.6).

Рис.6. Алгоритм інженерного розрахунку технологічних параметрів процесу регенерації свердловин методом реагентної ванни.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.

1. На основі аналізу даних про системи водопостачання населених пунктів України з підземних джерел встановлено, що одним з найбільш ефективних методів відновлення дебіту водозабірних свердловин, які мають значну глибину, є метод реагентної ванни.

2. Розроблена методика визначення перерозподілу сольових відкладень кольматанта у прифільтровій зоні свердловини, використання якої дозволяє більш обґрунтовано визначити такі технологічні параметри, як кількість реагентного розчину та час регенерації.

3. Запропонована більш досконала математична модель декольматації фільтра та прифільтрової зони свердловини методом реагентної ванни, яка враховує такі важливі фактори, як нерівномірність відкладення осадів в межах прифільтрової зони та багатокомпонентність кольматуючого осаду. Встановлено, що внаслідок значної різниці в товщині дифузійного шару процеси насичення реагента в фільтрі та прифільтровій зоні протікають з різною динамікою.

4. Розроблено методики розрахунку значень температурного поля присвердловинної зони при застосуванні різних технологій нагрівання реагентного розчину, що дозволило встановити ефективність застосування кожного з методів нагрівання відносно конкретних технологічних умов.

5. Розроблено математичну модель термореагентної регенерації водозабірних свердловин в умовах змінних характеристик температурного поля прифільтрової зони і встановлено, що при застосуванні різних технологій нагрівання розчину процес розчинення кольматанта може бути описано однією відносно простою моделлю дифузійної кінетики.

6. Встановлено ступінь впливу різних факторів і явищ на процес розчинення кольматанта та одержано відповідні розрахункові залежності, які дають змогу певною мірою спрогнозувати виникнення і протікання даних явищ, що дозволяє оптимізувати процес проведення регенераційних робіт і відповідно підвищити їх ефективність.

7. Обґрунтовано метод визначення кількості реагентного розчину, який базується на врахуванні параметрів кольматанта конкретного хімічного складу, а також насиченості закольматованих порід призабійної зони.

8. Розроблено інженерну методику розрахунку технологічних параметрів відновлення дебіту свердловин способом реагентної ванни і запропоновано рекомендації щодо реалізації цієї методики для різних умов регенерації.

9. Техніко-економічні розрахунки, виконані на основі запропонованих залежностей, дозволяють констатувати можливість зниження питомих грошових витрат на ремонт свердловини майже в два рази (виходячи з вартості приросту дебіту 1м3/добу) у порівнянні з використанням відомих методик. Запропоновані розрахункові методики і рекомендації впроваджено на підприємстві ДКП „Вишнівськводоканал”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. А.М. Тугай, Р.В. Десятерик. Деякі процеси хімічного кольматажу в прифільтровій зоні водозабірних свердловин. // Водне господарство України. - К.: Агронаука, 2003. -№ 5-6. - С. 25-27.

2. А.М. Тугай, Р.В. Десятерик. Розробка математичної моделі регенерації свердловин методом реагентної ванни // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. – К.: -2005. випуск 4. – С.4-17.

3. Десятерик Р.В. Вплив температурного фактору на процес декольматації свердловин на воду. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. -К.: -2005. випуск 5. – С.33-46.

4. Десятерик Р.В. Вплив деяких явищ на процес декольматації трубчатих колодязів способом реагентної ванни. // Науковий вісник будівництва. -Харків: ХДТУБА, - 2005. - №18. - С. 249-257.

5. Десятерик Р.В. Апробація математичних моделей регенерації свердловин методом реагентної ванни. // Водне господарство України. - К.: Агронаука, 2005. -№ 5. - С. 22-25.

6. Десятерик Р.В. Оцінка ефективності хімічної регенерації свердловин. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. -К.: -2006. випуск 6. – С.44-48.

7. Десятерик Р.В. Зміна характеристик температурного поля прифільтрової зони свердловини при її регенерації. // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. -К: КНУБА. -2006. –С.85-86.

АНОТАЦІЯ

Десятерик Р.В. Обґрунтування параметрів хімічної регенерації водозабірних свердловин . – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – Водопостачання, каналізація. – Київський національний університет будівництва та архітектури. Київ, 2006.

Дисертація присвячена науковому обґрунтуванню і розробці більш досконалих математичних моделей і методів розрахунку технологічних параметрів хімічної регенерації свердловин методом реагентної ванни.

Виходячи з аналізу існуючих результатів теоретичних і практичних досліджень розроблено рекомендації щодо встановлення структурних характеристик закольматованих прифільтрових зон трубчатих колодязів. На базі отриманих результатів запропоновано новий метод визначення кількості реагентного розчину для регенерації свердловини. Побудовано та реалізовано математичні моделі декольматації внутрішньої поверхні фільтра свердловини та її прифільтрової зони. Виконано ґрунтовний аналіз впливу температурного фактору на процес розчинення кольматанта при застосуванні різних технологічних схем нагрівання реагентного розчину. Розроблена математична модель регенерації прифільтрової зони свердловини при застосуванні термореагентної технології обробки. Проведено дослідження впливу різних побічних факторів і явищ на процес регенерації.

Виконана апробація реалізованих моделей з використанням дослідних даних, що викладені в спеціальній науковій літературі. Розроблено деякі рекомендації по застосуванню отриманих методик і практичному проведенню робіт по відновленню дебіту свердловин методом реагентної ванни.

Ключові слова: водозабірна свердловина, реагентна ванна, кольматант, регенерація, фільтр, прифільтрова зона, математичні моделі, температурне поле, реагент.

АННОТАЦИЯ

Десятерик Р.В. Обоснование параметров химической регенерации водозаборных скважин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2006.

В диссертации изучаются вопросы, касающиеся работы скважин систем водоснабжения в условиях химической кольматации их рабочих зон. Рассматриваются и анализируются процессы, происходящие в прискважинных зонах во время водоотбора с пласта, на основании обработки существующих литературных данных устанавливается минералогический и химический состав кольматантов, образовавшихся при работе скважин в различных гидрогеологических условиях. Проводится критический анализ существующих подходов и методов восстановления производительности скважин, в частности реагентных методов, как одних из наиболее эффективных.

На основании рассмотрения имеющихся математических моделей, описывающих процесс регенерации скважины методом реагентной ванны, установлены их недостатки и определены дальнейшие пути исследований.

Учитывая неравномерность кольматации прифильтровой зоны скважины, значительное внимание уделяется разработке метода для определения перераспределения отложений в пределах кольматируемого участка. На базе полученных разработок предложен относительно простой и надежный способ определения необходимого количества реагента для проведения многоэтапных обработок. Так как имеющиеся модели были реализованы при условии, что осадок представлен соединениями только одного компонента – железа, то предложен метод, позволяющий учитывать при разработке моделей кинетики растворения практически весь спектр соединений, присутствующих в кольматанте. На основании учета вышеприведенных факторов была сформулирована и реализована более совершенная математическая модель регенерации скважин по методу реагентной ванны.

Проведены теоретические исследования состояния температурного поля прифильтровой зоны скважины при использовании различных технологий нагревания реагента. Показано, что температура реагента в различных точках обрабатываемой зоны будет существенно отличаться и изменяться во времени в значительных пределах, что требует учета данного фактора при построении математических моделей. Проведенные исследования позволили определить преимущества и недостатки различных методов нагревания реагентного раствора при их использовании в различных гидрогеологических и технологических условиях. На основании анализа полученных результатов обоснована и построена математическая модель регенерации закольматированной прискважинной зоны при условии переменных значений ее температурного поля.

Рассмотрено и теоретически обосновано влияние различных факторов на процесс растворения кольматанта. Между прочим показано, что влиянием молекулярной диффузии на выравнивание концентраций солей в растворе в отдельных точках прифильтровой зоны можно пренебречь. Разработаны расчетные зависимости для определения производительности насоса, использующегося для подачи раствора в призабойную зону, что позволяет свести к минимуму влияние смешения реагента с водой на эффективность регенерации. Исследовано явление газлифта и разработана методика, позволяющая спрогнозировать протекание данного процесса. Обращается внимание на наличие и необходимость учета процессов вертикального перемещения реагента в пределах пласта, которые возникают вследствие наличия градиента плотности пластовой воды и используемого реагента. Приведены рекомендации для возможности учета данного фактора при использовании расчетных зависимостей.

Проведена апробация полученных зависимостей с использованием данных лабораторных и полевых исследований различных авторов. Даны некоторые практические рекомендации по проведению регенерационных работ способом реагентной ванны.

Ключевые слова: водозаборная скважина, реагентная ванна, кольматант, регенерация, фильтр, прифильтровая зона, математические модели, температурное поле, реагент.

RESUME

Desiaterik R.V. The ground of parameters of a water intake well chemical regeneration. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.23.04 – Water supply, sewerage. The Kyiv national university of construction and architecture. Kyiv, 2006.

Thesis is devoted to a scientific ground and working out more perfect mathematical models of defining of the chemical regeneration parameters by the reagent bath method.

Using analysis of theoretical and practical researches the recommendations for defining of well overfilter zone structural characteristics are worked out. On base of received results the new method for determining of reagent solution quantity is proposed. More total mathematical models of restoration of well inner surface and its overfilter zone are constructed and realized. The ground analysis of temperature factor is used for application of the different technological schemes of reagent solution heating. The mathematical models of overfilter zone restoration have been worked out for using of heat technology working up. The research of different factors and phenomena are worked which create defined influence on regeneration process.

The approbation of realized models has been produced with using of experimental data from special scientific literature. Some recommendations for using of received formulas and practical well regeneration by the reagent bath way are worked out.

Key words: water intake well, reagent bath, colmatant, regeneration, filter, overfilter zone, mathematical models, temperature field, reagent.