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.

КОЛЬМАТАЦИЯ ФИЛЬТРОВ И ПРИФИЛЬТРОВЫХ ЗОН СКВАЖИН

В процессе эксплуатации скважин, как правило, происходит снижение их производительности. Одной из основных причин уменьшения дебита скважин является кольматация фильтров и прифильтровых зон водоносного пласта, которая вызывает увеличение гидравлических сопротивлений и снижение притока воды в скважины [14]. Различают три вида кольматации: механическую, химическую, биологическую.

Механическая  кольматация наблюдается в сетчатых, щелевых, блочных фильтрах вследствие несоответствия проходных отверстий фильтров гранулометрическому составу водовмещающих пород. В результате механической кольматации водоприемные отверстия фильтров заклиниваются или перекрываются песком, глиной, гравием, в связи с чем удельный дебит скважин снижается на 20 — 30%. Снижению механической кольматации способствует создание фильтра из крупнозернистого песка и правильно выполненная гравийная обсыпка вокруг водоприемной части искусственного фильтра [2, 14].

К механической кольматации можно  отнести глинизацию фильтра и прифильтровой  зоны при роторном бурении скважин  с промывкой глинистым  раствором, когда  на стенке скважины образуется плотная  глинистая корка  толщиной 3 — 6 мм, ограничивающая поступление глинистого материала и шлама в пласт. Проницаемость глинистой корки в 103 — 104 раз меньше проницаемости пласта, поэтому в водо-вмещающие породы попадает только глинистый раствор, содержащий тонкодисперсные и коллоидные частицы глины.

Глинистые частицы набухают в водной среде, и  в связи с этим изменяется внутренняя геометрия норового пространства водоносной породы, а ее коэффициент фильтрации уменьшается в 50 раз и более. При установке фильтра в скважине, заполненной глинистым раствором, происходит его глинизация.

С течением времени глинистая  корка уплотняется  за счет усиления адсорбционных и молекулярных связей между глинистыми частицами, и ее удаление представляет значительную сложность. Поэтому-необходимо стремиться к сокращению времени контакта глинистого раствора с водовмещающими породами, т. е. к оперативному выполнению работ по вскрытию пласта, полному удалению бурового шлама и глинистого раствора и оборудованию скважины фильтром [6, 46].

При установке  фильтра необходимо стремиться к уменьшению его глинизации. Для  этого рекомендуется  опускать фильтр с  нижним открытым концом или с промывочными окнами, устанавливать  выше фильтра цементный  мост, разбуриваемый  после установки  фильтра, покрывать  фильтр специальными составами, растворяемыми  после спуска его  в скважину.

Химическая  кольматация обусловлена  нарушением химического  состава подземных  вод в результате изменения гидродинамических  параметров фильтрационного  потока. При уменьшении давления воды в ней  уменьшается растворимость  газов (в основном СO2), происходит их выделение  и нарушается углекислотное  равновесие:

Присутствие в воде катионов кальция  и магния и нарушение  угле-кислотного равновесия приводят к образованию  труднорастворимых  осадков СаСОз  и MgCOs. Интенсивно происходит выделение карбонатных осадков в зоне фильтров, при удалении от них интенсивность выпадения осадков уменьшается. В фильтрах, имеющих большие гидравлические сопротивления, возрастают потери давления, что приводит к более активному выделению из воды СO2 и увеличению количества карбонатных осадков. Этому также способствует турбулизация потока грунтовых вод и их перемешивание при прохождении через водоприемную часть фильтра. Зарастание фильтров и прифильтровых зон карбонатными отложениями происходит в основном в скважинах, заложенных в известняках и доломитах [2, 14].

Если  кольматация происходит только карбонатными соединениями, то осадки по структуре близки к кристаллическим и имеют серовато-белый цвет. При их взаимодействии с соляной кислотой наблюдается интенсивное выделение углекислого газа.

Наиболее  распространенными  кольматирующими  отложениями являются железистые осадки, которые выделяются при заборе подземных вод, содержащих закисное железо. Переход железа из за-кисного в окисное и выпадение в осадок происходит при наличии в воде растворенного кислорода. Этому также способствует выделение СО2 и повышение рН воды вследствие нарушения углекислот -ного равновесия:

Fe(HCO3)3 -> Fe(OH)2 + 2СО2; 4Fe(OH}2 + 02 + 2H20 = 4Fe(OH)3.

Гидрат  оксида железа, имеющий  студнеобразный вид, откладывается на поверхности фильтров и в поровом пространстве прифильтровых зон пласта. Интенсивность выпадения железистых осадков возрастает при неравномерной откачке воды из скважины, использовании эрлифта или инжектора, способствующих насыщению воды кислородом воздуха. Особенно активно происходит зарастание фильтров такими осадками при обнажении водоприемных отверстий и непосредственном контакте их с атмосферой. Железосодержащие осадки отличаются характерным желто-коричневым цветом, пачкают руки. Наличие их в подземных водах можно выявить визуально по осадкам на водоподъемных трубах и насосах.

Нарушение химического состава  подземных вод  эксплуатируемого пласта может происходить при взаимодействии с водами других водоносных горизонтов при недостаточной мощности разделяющего водоупора и отсутствии или плохой цементации затрубного пространства. В этом случае подземные воды нижних пластов могут обогащаться железом и кислородом, что ведет к осаждению нерастворимых карбонатных и железистых соединений. При смешивании жестких и мягких вод может увеличиться концентрация углекислоты, что вызывает образование карбонатных осадков.

На зарастание скважин большое  влияние оказывает  наличие в подземных  водах сероводорода H2S. Содержание гидросульфитов HS~ приводит к образованию  труднорастворимых  и непроницаемых  сернистых отложений  железа, меди, цинка  в результате реакции  подземных вод  с материалом каркаса  фильтра. Сульфиды металлов в виде корковидных  наростов черного  цвета образуют прочное  пленочное покрытие на сетках, проволочных обмотках, каркасах фильтров и способствуют постепенному разрушению их. При взаимодействии с кислотой эти осадки бурно выделяют сероводород, весьма опасный для здоровья человека. Сернистые отложения металлов практически не откладываются в прифильтровых зонах водоносного пласта, и после замены фильтров дебиты таких скважин обычно близки к первоначальным.

При наличии  в железосодержащих подземных водах  кремне-кислоты наблюдается  образование труднорастворимых  силикатных отложений  с примесью закисного  железа, придающий  им бурую окраску. Такие осадки характеризуются  высокой прочностью [20] и практически  нерастворимы в кислотах.

Относительно  редко отлагаются осадки фосфатно-железистого  состава. Выпадение  фосфатов происходит при увеличении щелочности.

Предотвратить химическую кольматацию  скважин при использовании вод с неустойчивым химическим составом невозможно, поскольку ее причиной является нарушение естественного режима водоносного пласта. Для уменьшения интенсивности кольматации следует не допускать неравномерного режима эксплуатации скважин, из-за которого происходит аэрация подземных вод, не использовать эрлифтные подъемники, необходимо проверять работу обратных клапанов погруженных насосов, чтобы предотвратить поступление аэрированных вод в зону фильтра. Высота столба воды от верхней секции насоса до динамического уровня воды в скважине, при которой не происходит активного аэрирования воды и интенсивного осадкообразования, не должна превышать 6 — 7 м [24].

Помимо  выпадения осадков  накопление отложений  может происходить в результате коррозии самого фильтра вследствие агрессивности подземной воды, обладающей свойством электролита. Этот процесс протекает наиболее активно при наличии различных металлов в конструкциях фильтров и отсутствии надежной антикоррозионной защиты.

Электрохимической коррозии в большей  степени подвержены сетчатые фильтры, представляющие собой стальную перфорированную  трубу, обмотанную стальной проволокой и медной сеткой. Электрохимические  процессы могут быть значительно ослаблены  путем изготовления каркасов фильтров из пластмасс или  стальных труб с антикоррозионным покрытием, использования  фильтрующей сетки  из нержавеющей стали, применения вместо обмоточной проволоки шнуров из полимерных материалов.

Биологическая кольматация обусловлена  жизнедеятельностью микроорганизмов. Наиболее активно бактерии размножаются у фильтров, где в основном скапливаются осадки, образовавшиеся под  действием химических и электрохимических  процессов. В результате жизнедеятельности бактерий (железобактерий) выделяется гидрат окиси железа, что способствует переводу закиси железа в нерастворимую окись, осаждающуюся на рабочей поверхности фильтров, внутренних стенках ствола скважин и насосном оборудовании. Присутствующие в подземных водах марганцевые бактерии используют энергию окисления закисных соединений и переводят их в малорастворимые окисные соединения. Интенсивная биологическая кольматация характерна для подземных вод с содержанием кислорода 5 мг/л и более, находящихся в первых от поверхности земли водоносных горизонтах. Бактерии обнаруживаются не только в водоносных пластах вблизи поверхностных водоисточников, но и на больших глубинах в зонах, значительно удаленных от водотоков и водоемов [14].

Благоприятные условия для развития железобактерий имеются  в большинстве  гидрологических  районов, поэтому  для подавления их жизнедеятельности  необходимо проводить  периодически, не менее  одного раза в 3 — 4 месяца, хлорирование скважин.

Книга БУРЕНИЕ  СКВАЖИН НА ВОДУ

Оглавление книги Бурение скважин на воду

Глава VI ВСКРЫТИЕ И ОСВОЕНИЕ ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТОВ

1. СОВРЕМЕННЫЕ  ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ КОЛЬМАТАЦИИ  ПЛАСТА

Кольматация — сложный  физико-механический процесс снижения проницаемости пласта, протекающий  во времени. 
Различают три зоны кольматации пласта: проникновения частиц бурового шлама (механический кольматаж), глинистого раствора и фильтрата глинистого раствора.

Зона механического кольматажа в рыхлых водосо-держащих породах  невелика — не более 10—15 мм. По мере вскрытия пласта с глинистым раствором  на стенках скважины образуется плотная  глинистая корка толщиной 3—б мм, что, в свою очередь, ограничивает поступление  глинистого материала и шлама  в пласт. В трещиноватых горных породах  частицы бурового шлама могут  проникать достаточно глубоко (до нескольких десятков метров), что зависит от размера и конфигурации трещин, а  также от перепада давления на пласт (репрессии). 
Глубина проникновения глинистого раствора в пески, по данным различных исследователей, колеблется в широких пределах. Н. И. Шацов считает, что глубина проникновения глинистого раствора в пласт и толщина глинистой корки зависят от состава песка (табл. 23). 
Большой интерес представляют исследования М. Кир-сена, С. Персонса и Г. Кэннона по проникновению глинистого раствора в пласт в зависимости от перепада давления на пласт (табл.24). И. Н. Бандырский в лабораторных условиях установил, что глубина проникновения глинистого раствора в водонасыщенные мелкозернистые пески составляет 50— 100 мм, а в среднезернистые— 100—200 мм. Такая от носительно большая глубина проникновения раствора в пласт объясняется, очевидно, тем, что опыты проводились в стендовых условиях, где пески имели разрыхленное состояние. В песчаниках глубина проникновения глинистого раствора значительно меньше — в среднем не более 20 мм. В трещиноватых породах эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров. В общем случае глубина проникновения глинистого раствора в пласт увеличивается с возрастанием репрессии на пласт и выражается формулой: (70) где — глубина проникновения глинистого раствора в пласт, см; А — коэффициент, учитывающий сопротивление движению жидкости в зависимости от размера зерен породы, их формы и т. д.; АР— репрессия на пласт, МПа; То — начальное сопротивление раствора сдвигу, МПа; уг-р — плотность глинистого раствора, г/см3; Рпл — пластовое давление, МПа; Н — глубина залегания пласта, м. В формуле (70) принято, что фильтрация глинистого раствора в пласт происходит при постоянном перепаде давления. Это искажает1 физику процесса, так как при бурении имеют место проработка ствола скважины, спускоподъемные операции с буровым инструментом и обсадными трубами, что ведет к динамической фильтрации глинистого раствора, т. е. к более интенсивному поглощению раствора пластом. Глинистая корка на стенках скважины формируется в течение от нескольких минут до 30 минут. Ее проницаемость обычно в 1000—10 000 раз меньше проницаемости пласта, поэтому после формирования глинистой корки в пласт попадает только фильтрат глинистого раствора, содержащий тонкодисперсные и коллоидные частицы глины, которые набухают и способствуют снижению проницаемости пласта. 
Количество от фильтровавшейся жидкости в пласт — показатель распространения и характера зоны кольма-тации. 
Количество жидкости, от фильтровавшейся в пласт при аскрытии пласта, определяется экспериментально или на основании теоретических расчетов (Башкатов, Олоновский, Дрягалин, 1969). С. К. Фергюссон и И. А. Клотц при исследовании водоотдачи промывочных растворов на модели скважины пришли к заключению, что из общего объема фильтрата на долю статической водоотдачи приходится 10—20 и 80—90 на фильтрат, выделяемый при гидродинамических условиях. Общее количество фильтрата, поступающего в пласт Ч, складывается из фильтратов раствора, поступающего при статических №с и гидродинамических условиях: № = №с-1-№д. (71) 
Глинистые частицы набухают в водной среде, в результате изменяется внутренняя геометрия порового пространства, причем проницаемость породы при этом может уменьшаться до 50 раз и более. Процесс набухания глинистых частиц развивается во времени и в зависимости от состава глин может достигать предельной величины (для тонкодисперсных систем) через 24—л420 часов. Наибольшее набухание свойственно Иа- и Ы-бентонито-вым (до 840) и естественным бентонитовым (до 252) глинам.