что такое кольматация скважины

Кольматация

Литература : Шехтман Ю. M., Фильтрация малоконцентрированных суспензий, M., 1961; Короткевич Г. B., Соляной карст, Л., 1970.

M. C. Газизов, B. И. Костенко, Ю. П. Шохин.

Полезное

Смотреть что такое «Кольматация» в других словарях:

Кольматация — [фр. Colmatage заполнение, самоуплотнение] – внесение в поры и капилляры материалов, грунта и др. каких – либо частиц с целью повышения плотности, уменьшения фильтрации и т. п. [Ушеров Маршак А. В. Бетоноведение: лексикон. М.: РИФ… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

кольматация — сущ., кол во синонимов: 2 • кодьматирование (2) • кольматаж (7) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

кольматация — и, ж. КОЛЬМАТИРОВАНИЕ я, ср. То же, что кольматаж. СИС 1985 … Исторический словарь галлицизмов русского языка

кольматация — Заиливание и (или) блокировка материала, приводящие к ухудшению гидравлических характеристик конструкции. [ГОСТ Р 53225 2008] Тематики материалы геотекстильные EN colmation FR colmatage … Справочник технического переводчика

кольматация — Отложение глинистых или илистых частиц на поверхности и в порах водопроницаемой породы, в результате чего снижается ее водопропускная способность; искусственное заполнение пор грунта глинистыми частицами для снижения фильтрации воды. Syn.:… … Словарь по географии

кольматация — kolmatacija statusas Aprobuotas sritis statyba apibrėžtis Grunto, filtro ir pan. porų už(si)pildymas smulkiomis (molio, dulkio, smėlio) dalelėmis vykstant geofiltracijai; viena iš grunto filtracinės deformacijos rūšių. Kolmatacija naudinga, kai… … Lithuanian dictionary (lietuvių žodynas)

кольматация — kolmatacija statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Smulkių nešmenų, grunto dalelių, cheminių junginių, mikroorganizmų ir organinių medžiagų kaupimasis grunto arba įrenginių paviršiuje, grunto porose per gruntą filtruojantis… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

кольматация — 3.6 кольматация : Проникновение глинистых частиц в грунт с образованием физико химических связей между этими частицами и скелетом фильтрующего грунта. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Кольматация — см. заиливание почвы … Толковый словарь по почвоведению

Источник

Кольматация

КОЛЬМАТАЦИЯ, кольматаж (от итал. соlmata — наполнение, насыпь * а. соlmatage; н. Kolmation, Verschlammung; ф. соlmatage; и. соlmatacion, соlmataje), — процесс естественного проникновения или искусственного внесения мелких (главным образом коллоидных, глинистых и пылеватых) частиц и микроорганизмов в поры и трещины горных пород, в фильтры очистных сооружений и дренажных выработок, а также осаждение в них химических веществ, способствующее уменьшению их водо- или газопроницаемости. Носителем кольматажного материала (кольматанта) могут служить жидкости и газы. Различают кольматацию механическую, химическую, термическую и биологическую.

В естественных условиях механической и химической кольматации подвергаются слагающие русло рек породы в результате вмывания в них взвешенных в открытом потоке частиц.

В искусственных условиях (при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений) кольматация играет двоякую роль — положительную и отрицательную. В первом случае её используют, а во втором — ведут с ней борьбу. Например, в гидротехнике, мелиорации и горном деле механическая кольматация служит для предотвращения фильтрации воды из каналов, канав, прудов-осветлителей путём заиления их дна и откосов малоконцентрированными глинистыми растворами, в нефтепромысловой практике — для заиления призабойной зоны нагнетательных скважин при вторичных методах добычи нефти и т.д. Наиболее интенсивно кольматация происходит при отношении диаметра пор кольматируемой породы к размеру взвешенных кольматирующих частиц около 5-6, содержании этих частиц в суспензии до 1% и при слабоминерализованной воде.

В горной практике химическую кольматацию используют для снижения степени выщелачиваемости растворимых пород, ликвидации проникновения воды и водопритоков в шахты осаждением гипса и каменной соли при взаимодействии насыщенного раствора хлоридов кальция и натрия, подаваемого через скважины в карстовые полости, заполненные раствором хлорида и сульфата магния.

Разрабатываются пути термической кольматации пористых и трещиноватых пород охлаждением растворов солей хлоридов, а также биологическая кольматация для создания барражных завес внесением отдельных видов микроорганизмов, создания оптимальной среды для их активной деятельности и накопления продуктов метаболизма (обмена).

Отрицательное влияние кольматации проявляется в заилении песчаных фильтров водоочистных сооружений, а также в заилении и зарастании карбонатами и гидроксидами железа зафильтрованной песчано-гравийной засыпки фильтров водозаборных и дренажных скважин. При поверхностном способе дренажа на шахтах и карьерах механическая и химическая кольматация приводит к резкому снижению водопроницаемости фильтров и пород прифильтровых зон и соответственно к снижению дебита скважин, что требует применения различных методов интенсификации дренажа обводнённых пород и «оживления» фильтров скважин.

Источник

Что такое кольматация скважины

Различают три вида кольматажа: механический, химический и биологический. Механические формы кольматации активно появляются на этапе сооружения водозаборной скважины. При вскрытии или проходке водоносного горизонта вращательным способом с прямой промывкой образуются зоны кольматации пласта, которые связаны с проникновением частиц бурового шлама, глинистого раствора (промывочной жидкости) и фильтрата глинистого раствора. Геометрические размеры зоны кольматации зависят от многих факторов, определяющими среди которых являются: литологичский и механический составы водовмещающих пород, параметры промывочного раствора, перепад давлений в стволе скважины и водоносном горизонте. Различные режимы бурения и условия проходки создают кольматаж рыхлых водовмещающих пород на расстоянии до 10 – 15, реже 100 и более мм от стенок скважин, что тем не менее, существенно влияет на изменение фильтрационных характеристик этой зоны, снижая водопроницаемость в десятки и более раз. Отрицательные последствия механического кольматажа, обусловленного проникновением в пласт технологических продуктов бурения (шлам, компоненты промывочного раствора) могут быть в значительной степени сокращены в случае применения прогрессивных способов вскрытия и освоения водоносного горизонта. Механический кольматаж контактной зоны между гравийной обсыпкой и водовмещающей породой, а также на границе фильтрующей поверхности и прилегающей к ней гравийной обсыпки вызывается заклиниванием отверстий, обеспечивающих фильтрацию [2,3].

Опыт эксплуатации водозаборных скважин показывает, что их производительность и дренирующая способность существенно снижаются во времени вследствие зарастания фильтров и прифильтровых зон скважин различными химическими соединениями. Эти соединения образуются в результате нарушения химического равновесия в пласте, связанного с действием в нем гидродинамического возмущения. Нарушение химического равновесия обуславливается смещением наиболее динамического газового равновесия, выражающегося в гидролизе бикарбоната железа, окислении закисного железа до трехвалентной формы и избыточном образовании карбонат – ионов с одновременным увеличением рН при удалении свободной углекислоты [2].

В результате нарушения химического равновесия в прифильтровой зоне за счет понижения давления, происходит десорбция свободной углекислоты из подземных вод. При этом интенсифицируется гидролиз бикарбоната железа, в результате чего Fe2+ окисляется до Fe3+ с образованием гидроксида трехвалентного железа Fe(ОН)3, основного кольматирующего соединения [2,4].

При эксплуатации скважин в водоносных горизонтах с подземными водами, склонными к выделению кольматирующих образований, следует избегать неравномерности режима эксплуатации, в результате которого происходит аэрация подземных вод, надежно герметизировать устья скважин, исключать использование эрлифтных водоподъемников, проверять работу обратных клапанов погружных насосов с тем, чтобы предотвратить поступление аэрированных вод в интервал установки фильтра, и самое главное, необходимо предусматривать регулярную регенерацию скважин на основе прогноза снижения их производительности [2].

Процессы химического кольматажа, происходящие в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются биологической деятельностью. Основной причиной этого являются железо-, сульфат- и марганцевые бактерии, которые в нескольких видах присутствуют во всех водоносных породах и подземных водах и в результате жизнедеятельности осаждают железо, марганец и выделяют сероводород из подземных вод. Все организмы, способные осаждать эти компоненты из подземных вод, можно разбить на четыре основные группы [2,5].

К факторам, которые влияют с различной степенью интенсивности на продолжительность работы скважин, можно отнести геологическое строение, способ бурения, конструкцию скважины, конструкцию фильтра, способ установки фильтра, способы и сроки освоения скважин, и режим эксплуатации. Ниже рассматривается влияние перечисленных факторов на продолжительность работы скважин. Геологическое строение. Установлено, что благоприятные условия работы фильтров обеспечиваются в водоносных горизонтах, представленных среднезернистыми, крупнозернистыми или разнозернистыми гравелистыми песками и галечниками мощностью от 5 м более [2].

Водоносные горизонты, представленные тонко- и мелкозернистыми песками малой мощности с частым переслаиванием глинистыми прослоями, обладают слабой водоотдачей. Эксплуатация скважин в этих условиях может сопровождаться выносом глинистой части пород, замутнением воды с весьма медленным отстаиванием. Способ бурения. В настоящее время водозаборные скважины можно бурить тремя основными способами: ударно – канатным, роторным с прямой промывкой забоя глинистым раствором и роторным с обратной промывкой забой чистой водой. Каждый из этих способов имеет специфические особенности, влияющие на дебит скважины и продолжительности работы.

Ударно – канатный способ бурения влияет на структуру и литологическое строение водоносных горизонтов. Образование пробок в стволе скважин и их ликвидация при помощи обычных поршневых желонок проводит к вертикальному смещению и обрушению пород, и следовательно, к заведомо к неправильной характеристике пород водоносных горизонтов.

При этом способе бурения изменяются гранулометрический состав, фильтрационный характеристики и мощность отдельных пластов и пропластков горных пород. Мелкие пропластки из разреза исчезают, а более мощные увеличиваются. Для объяснения этого явления рассмотрим детально процесс бурения. В момент работы желонки в трубах происходит вакуумирование, в результате которого наблюдается подплыв породы к забою скважины. По мере наполнения желонки породой при ее извлечении создается вакуум и при выходе желонки из–под статического уровня уровень в скважине понижается, что создает разность напоров внутри скважине и ее стенок. Оба эти фактора влияют на образование песчаных пробок, высота которых может достигать 8 – 10 м и более [6]. Наибольшее нарушение фильтрационных свойств водоносных горизонтов наблюдается в тех случаях, когда объем выбуренных пород во много, а иногда в десятки раз, превышает геометрический объем выработки. При этом часто образуются провальные воронки [2].

Роторный способ бурения с прямой промывкой забоя глинистым раствором относится к числу наихудших способов бурения при вскрытии водоносных горизонтов, представленных рыхлыми породами. Проникновение глинистого раствора в породы, недостаточно удовлетворительные методы и способы разглинизации искусственно занижают дебиты скважин, вследствие чего в мелко- и тонкозернистых песках получаются малодебитные и даже безводные скважины. Роторные способ бурения с обратной промывкой в отличие от двух указанных выше является наиболее прогрессивным; большие скорости бурения, минимальная подработка забоя, сохранение подлинных характеристик горных пород. Сооружение гравийных обсыпок большой мощности при правильном подборе гравия обеспечивает скважинам долголетнюю работу без пескования.

Способ установки фильтров в большей степени связаны со способом бурения скважины. При бурении ударно-канатными станками фильтры устанавливаются под защитой обсадных колонн, поэтому такие скважины имеют меньшую интенсивность старения по сравнению со скважинами, пробуренными роторными станками. Роторный способ бурения с промывкой забоя глинистым раствором является трудным и негативно сказывается на дальнейшей работе скважины. Циркулируя, глинистый раствор проникает в водовмещающие породы и тем самым забивает поры водоноса, что уменьшает пористость пород, и следовательно, искусственно занижает удельные дебиты скважин. В процессе эксплуатации таких скважин нередко бывают случаи, когда после очередного ремонта происходит превышение удельного дебита по сравнению с первоначальным. Поэтому непосредственно после бурения скважины необходимо, для разглинизации водоносного горизонта, произвести ряд восстановительных мероприятий, исключающих использования импульсных методов, так как сила воздействия таких методов будет направлена в ту же сторону что и сила при бурении скважины, которая привела к образованию глинистой пробки. Даже при бурении скважины с применением обратной промывки чистой водой не гарантирует успешной ее работы. Так как циркулирующая вода, поступающая из зумпфа, будет увлекать за собой глинистые частицы водоупора, и осаждать их в порах водовмещающих пород. Оптимальным случаем при бурении скважин является использование чистой воды, поступающей из водопроводной сети. Образование глинистой корки во время бурения происходит интенсивно при ударно-канатном способе бурения, так как желонка с огромной силой ударяет о водовмещающие породы, тем самым создается сила противодавления, которая превышает силу давления воды со стороны водоносного горизонта. При роторном способе бурения эта сила тем больше чем больше статический уровень в скважине, и поэтому условия образование глинистой корки являются менее благоприятными. Однако при бурении роторным способом с применением эрлифта происходит интенсивное обогащение кислородом подземной воды, что приводит к образованию осадков в виде гидроокислов железа и других соединений, содержащих кислород, которые создают дополнительные гидравлические сопротивления в прифильтовой зоне скважины. Способы и сроки освоения скважин. По окончании бурения в скважинах производится откачка. Как правило, при этих откачках происходит пескование, что вынуждает буровые организации применять эрлифты с низким коэффициентом полезного действия и с небольшой производительностью. Рекомендации о прокачке скважин с дебитом, превышающим на 20 – 50 % будущий эксплуатационный, как правило, не выполняются. поэтому в начальный период эксплуатации возникает пескование, занос рабочей части фильтра породой, а также износ насосного оборудования [2]. Оставленный после бурения глинистый раствор после бурения за контуром фильтра цементирует породы и гравийные обсыпки и уплотняет их тем больше, чем больше время между установкой фильтра и его прокачкой. В практике работ известны случаи, когда прокачки скважин после бурения проводились с перерывом с течение месяца и более и это приводило к малой дебитности. В таких скважинах применение различных способов интенсификации – повторной прокачки, свабирования, подрыва торпед – не восстанавливало проницаемости, соответствующей гранулометрическому составу пород водоносного горизонта. Из сказанного следует, что нельзя допускать разрыв между бурением и прокачкой скважин [2].

Источник

Состав и свойства кольматирующих образований водозаборных скважин

Категории

Состав и свойства кольматирующих образований водозаборных скважин

При бурении, освоении и эксплуатации водозаборных скважин проявляются процессы механического, химического и биологического кольматажа, определяющие не только длительность действия водозаборов, но и эффективность намечаемых технологий для восстановления дебитов скважин. Процессы механического кольматажа в основном завершаются на стадии строительной прокачки скважины, а химического и биологического – наблюдаются в течение всего периода действия водозабора.

По составу кольматирующие образования в скважинах, каптирующих песчаные водоносные горизонты, отличаются разнородностью и представлены различного рода неорганическими соединениями в аморфном или кристаллическом виде.

Авторами проанализированы пробы кольматирующих образований, отобранных из 125 водозаборных скважин промыслов и водозаборов городов Новый Уренгой, Когалым, Сургут, а также на объектах сельскохозяйственного водоснабжения в Башкирии, Воронежской, Тамбовской областях и Краснодарском крае. Исследуемые скважины каптируют песчаные водонасыщенные породы различного гранулометрического состава и возраста. Кольматирующие осадки были отобраны непосредственно с сеток фильтров, извлеченных из скважин, и с водоподъемного оборудования.

При эксплуатации водозаборных скважин происходит кольматация порового пространства прифильтровых зон скважин, что существенно снижает продуктивность скважин.

В гранулярных коллекторах в составе кольматирующих образований преобладают железистые соединения. Изложены методики химического и минералогического анализов скважин. Дается оценка интенсивности кольматационных процессов в скважинах. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании работ по восстановлению продуктивности скважин водозаборов подземных вод.

В связи со сложностью химического состава кольматирующих образований и их близостью по структуре к минералам при исследовании химического состава руководствовались методами химического анализа минералов и горных пород. Трактовка результатов химических анализов не всегда однозначна и порой, по-видимому, ошибочна. Для разработки эффективных мер по удалению кольматирующих образований из скважин необходимо знать прежде всего минералогический состав осадков. Минералогические методы изучения учитывают широко развитые явления изо- и полимофизма и дают наиболее достоверную информацию о составе минеральных образований, что позволяет достаточно обоснованно выбрать необходимые реагенты для их растворения. Вместе с тем методы химического анализа состава осадков позволяют получить информацию о количественном распределении в составе осадков основных видов их составляющих.

При выполнении химических анализов образцы высушивали до постоянной массы при 103 °С и определяли потери массы при прокаливании до 1000 °С. Для растворения образцов кольматирующих образований использовали концентрированную соляную кислоту в разбавлении 1:1. Растворение проводили при комнатной температуре, что исключало перевод в исследуемый раствор оксида кремния, представленного включением мелких частиц песка в кольматирующие образования в период пескования скважин. В прокаленных и растворенных образцах определяли содержание оксида и закиси железа, оксида алюминия. кальция, магния, марганца, кремния, фосфора, сульфат- и сульфид-ионов, углекислого газа.

Исследованиями установлено, что химический состав осадков изменяется в следующих пределах (%):

20,15–76,68 Fe2O3; 0,38–40,11 FeO; 0,05–12,23 Al2O3; 0,05–4.08 MgO; 1,63–20,25 CaO; 0,03–2,80 SiO2; 0,04–0,79 MnO; 0,11–6,12 Р2О5; 0,66–24,72 FeS. Потери при прокаливании составляют 13,99–36,42 %. Минералогический состав образцов кольматирующих образований изучали с помощью методов визуальных, микрохимического анализа, ИК-спектрометрии, рентгенофазового анализа, дифференциального термического анализа, дифференциального термогравиметрического анализа с использованием дериватографа. Результаты исследований минералогического состава кольматирующих образований представлены в табл 1.

Таблица 1. Перечень минеральных образований в водозаборных скважинах

Во многих пробах осадков обнаружены такие примеси, как полиморфный кварц и глинистые минералы различного вида (монтмориллонит, гидрослюда, иллит, палыгорскит).

Общепризнанным является и то, что процессы коррозии конструктивных элементов скважины так-же существенным образов влияют на образование железистых кольматирующих соединений химического генезиса в скважинах. На первом этапе развития коррозийных процессов образуется вюстит (FeO) и далее происходит сложный многостадийный процесс трансформации продуктов коррозии оборудования1:

Сложные ассоциации минералов, возникающие в прифильтровых зонах скважин, предсказать трудно. Вместе с тем достоверным является то, что при каптаже подземных вод, приуроченных к песчаным коллекторам, в составе кольматирующих образований преобладает железистая составляющая.

Внутренние структурные связи кольматирующих образований определяют их прочностные свойства. На первом этапе формирования кольматирующих соединений образуются рыхлые отложения вязкопластичной консистенции с водно-коллоидными связями при незначительной прочности осадков. В процессе диагенеза водно-коллоидные связи кольматирующих образований замещаются на кристаллизационные, в результате чего в гранулированном коллекторе образуется цемент обрастания.

Совокупное воздействие кольматационных процессов приводит к отложению осадков в пористой среде гравийной обсыпки, а также в отверстиях фильтров. Накопление осадка в порах пористой среды обуславливает изменение ее структурных показателей, вызывает снижение коэффициента фильтрации прифильтровой зоны и, как следствие, этого – падение производительности скважины. Степень кольматации пористой среды обычно выражается через насыщенность порового пространства a осадком, определяемую по формуле

где n₀ и n – коэффициенты начальной и текущей пористости среды.

Зависимость между проницаемостью среды и ее насыщенностью кольматирующими образованиями в общем случае, по мнению проф. Д. М. Минца, имеет вид:

где k и k0 – текущий и первоначальный коэффициент фильтрации прифильтровой зоны, m – показатель

степени (m=2,8÷3,3). При m=3, .

Результаты обследования скважин путем вскрытия прифильтровых зон и извлечения фильтров указывают на то, что в максимальной степени кольматируются породы, непосредственно примыкающие к фильтру скважин, а по мере удаления от фильтра наблюдается постепенное уменьшение количества отложений.

У сетчатых фильтров отложения формируются в непосредственной близости, и размер зоны кольматации, как правило, не превышает 15 мм, что связано с интенсивной кольматацией сетки фильтра. В лабораторных условиях оценивалась водопроницаемость закольматированных сеток, а после отмыва кольматирующих образований реагентами – насыщеннность сеток осадком (табл. 2).

Таблица 2. Коэффициенты фильтрации (м/сут) и насыщенность кольматирующими образованиями сеток фильтров скважин Тамбовской области

Таблица 3. Плотность кольматирующих образований

Рисунок: Кольматация фильтров водозаборных скважин. Вид снаружи и изнутри (данные видеообследования).

Масса отложившихся кольматирующих образований Р (кг) ориентировочно может быть вычислена по насыщенности ими порового пространства a гравийной обсыпки:

По результатам экспериментальных обработок скважин в Тамбовской области, оборудованных сетчатыми фильтрами, установлено изменение насыщенности порового пространства кольматантом и массы последнего в зависимости от срока эксплуатации скважины (см. рисунок).

В практических расчетах интенсивность кольматационных процессов может быть оценена по данным об изменении удельного дебита скважин во времени при аппроксимации этой зависимости

где q_t – удельный дебит скважины в рассматриваемый момент времени t; q₀ – первоначальный удельный дебит скважины, т. е. при сдаче ее в эксплуатацию; β– коэффициент интенсивности кольматационных процессов, мес –1 ; t_зап – период запаздывания во времени в наступлении экспоненциальной зависимости, мес.

Изменение насыщенности порового пространства (∞) и массы кольматанта прифильтровой зоны скважин во времени

Анализ зависимости q_t=ƒ(t) показывает, что опытные данные аппроксимируются не сразу после включения скважины в работу. Имеется некоторый период запаздывания t_зап во времени в наступлении этой зависимости (стабильный период работы скважины).

Величина коэффициента интенсивности кольматационных процессов β (по данным длительных наблюдений по 188 скважинам) колеблется в пределах (1,4÷4,5)×10 –2 мес –1 (средние показатели). Прослеживается отчетливая связь между конструкциями фильтров и интенсивностью снижения удельных дебитов скважин. Так, для скважин с гравийно-проволочными фильтрами β=(0,5÷2,0)×10 –2 мес –1 и время стабильной работы t_зап=12÷30 мес (средние показатели), а для скважин с блочными и сетчатыми фильтрами β=(3,5÷4,7)×10 –2 мес –1 и t_зап

Источник