ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА АРТЕЗИАНСКИХ СКВАЖИН

 

Балтаханов А.М., Иванов Е.Н., Касаткин В.К., Иванов С.Е.

 

Электрогидроимпульсная технология очистки от накипи и отложений теплообменного оборудования находит широкое применение в различных областях народного хозяйства. Настоящая статья посвящена одной из перспективных областей использования электрогидроимпульсных установок - очистке артезианских скважин с целью восстановления их дебита. Опыт эксплуатации водозабора подземных вод показывает, что их проектная производительность может существенно снижаться во времени. Одной из причин этого явления могут быть различные виды кольматажа фильтров и прифильтровых зон скважин, что вызывается:

- закупоркой отверстий частицами пород водоносного горизонта (механический кольматаж),

- выделением из подземной воды с последующем отложением на конструктивных элементах фильтра и частицах прифильтрационной зоны карбонатных, силикатных, железистых и других химических соединений, переходящих из растворимых форм в нерастворимые, при изменении физико-химических условий в воде (физико-химический кольматаж).

- отложением нерастворимых органических и неорганических соединений на элементах скважин в результате жизнедеятельности железистых, марганцевых, сульфатопродуцирующих и других видов бактерий (биохимический кольматаж).

Зарастание призабойной зоны и фильтра скважины может происходить при наличии высоких скоростей притока к скважине, когда в призабойной зоне и на входе в фильтр возникает турбулентный режим течения пластовой воды. Турбулентность способствует активному ее перемешиванию и окислению железа кислородом, растворенным в воде в небольших количествах. Выпадение в нерастворимый осадок химических соединений происходит также вследствие нарушения физико-химического равновесия в пластовой воде, обусловленного изменением давления, температуры и окислительно-восстановительного потенциала.

При работе скважины вследствие падения давления в пределах радиуса влияния уменьшается растворимость газов и происходит выделение их из воды. Вследствие удаления из воды СО₂ нарушается углекислотное равновесие, которое приводит к образованию СаСО₃ и МgСО₃. Появившиеся в результате химических реакций гидраты окисей железа, кремния, карбонат кальция и другие продукты образуют природную агрегатно-устойчивую взвесь, которая, проходя через поровое пространство прифильтровой зоны и фильтр, забивает его. Это приводит к тому, что фильтр закупоривается, водоносные породы вокруг него цементируются, в результате чего дебит скважины уменьшается.

Для увеличения производительности скважин и срока их службы возникает необходимость проведения мероприятий по декольматации. С этой целью используют импульсные, реагентные и комбинированные методы.

Один из импульсных методов — электрогидравлическая обработка скважины. Метод основан на преобразовании электрической энергии в энергию ударной волны при электроразряде в жидкости. Мощный электроразряд в воде приводит к формированию ударной волны, амплитуда которой может достигать 1500 атм при длительности от десятков до сотен микросекунд. Благодаря такой сверхмалой длительности исключаются повреждения фильтра. Кроме ударной волны разряд приводит к образованию пульсирующих гидродинамических потоков с локальными скоростями движения до 100 м/с и давлениями до 30 атм. Основные преимущества электрогидроимпульсного метода — высокая эффективность при низкой стоимости обработки, а также исключение возможности каких-либо повреждений фильтра. В отличие от других методов обработки скважин (реагентных, взрывных, пневмовзрывных и др.) [1] электрогидроимпульсный метод обладает достаточно высокой эффективностью при низкой стоимости обработки [2]. Кроме того, этот метод может быть использован в широком диапазоне гидрогеологических условий [3] Электрогидроимпульсное воздействие на призабойную зону скважин рекомендуется для повышения проницаемости пород, улучшения сообщаемости со стволом скважины и увеличения числа трещин, очистки перфорационных отверстий с целью облегчения притока и снижения энергетических потерь в этой области пласта.

В статье обсуждаются вопросы повышения эффективности электрогидроимпульсного воздействия на призабойную зону скважины вариацией схемных решений выполнения разрядной цепи установки ЗЕВС – 42 (разработчик и изготовитель ООО «ЗЕВС-ТРУБОПРОВОД»), описание работы и технические характеристики которой изложены в [2], исследована возможность работы установки с использованием кабеля РК - 50 - 9 - 11 длиной 300 метров и кабелей РК50-17-17 и КВИМ диной до 700 м. Блок схема (а) и схематическое изображение (б) электрогидроимпульсной обработки скважины установкой ЗЕВС представлены на рис.1.

 

А) б)

 

Рис.1. Блок-схема (а) и схематическое изображение (б) электрогидроимпульсной обработки скважины установкой ЗЕВС

 

 

При работе установки фиксировалось напряжение на батарее накопительных конденсаторов с помощью высоковольтного универсального делителя и разрядный ток с помощью воздушного трансформатора (пояса Роговского) и электроннолучевого осциллографа. При этом зарядное напряжение на конденсаторах составляло 30 кВ, емкость накопительных конденсаторов 3 мкФ, величина рабочего промежутка между электродами рабочего органа составляла 5 мм. Типичные осциллограммы разрядного тока и на­пряжения на конденсаторах установки ЗЕВС-42 при длине кабеля РК-50-9-11 составляющей 100м приведены на рис. 2.

 

 

 

Рис. 2. Осциллограммы разрядного тока и напряжения на батарее установки ЗЕВС -42. Масштаб по оси времени составляет 20 мкс/дел. Масштаб для разрядного тока I составляет 2 кА/дел. Масштаб для напряжения U на батарее составляет 10кВ/дел.

 

По данным, полученным из осциллограмм, были определены: период колебаний разрядного тока, его амплитуда, а затем были рассчитаны индуктивность, активное сопротивление и величина давления на фронте ударной волны на расстоянии 15 см от канала разряда, которые соответственно составили: Т = 100 мкс, I_m =3.5 кА, L_ц.р. =72 мкГн, R._ц.р.=4.5 Ом. Р=3.86 МПа.

Давление на фронте ударной волны Р рассчитывалось по формуле [3]:

 

 

Анализируя полученные результаты сделаны следующие выводы: разрядная цепь установки ЗЕВС - 42 имеет значительные индуктивность и активное сопротивление, что приводит к большим потерям энергии.

Для снижения собственной индуктивности и активного сопротивления генератора импульсных токов существует несколько путей. Это можно сделать, применив несколько передающих кабелей, соединенных параллельно, либо выполнив всю конструкцию генератора совместно с рабочим органом в едином погружном контейнере [4].

Эти способы имеют свои преимущества и недостатки. Наиболее прогрессивным является выполнение генератора в виде единого погружного блока. Но, принимая во внимание условия эксплуатации данного устройства, при его разработке необходимо решить сложные научно - технические проблемы, связанные с малыми размерами скважин. Поэтому в данной работе рассмотрен способ снижения индуктивности и активного сопротивления путем применения нескольких, соединенных передающих кабелей, а также использование выпускаемых промышленностью кабелей типа РК50-9-11, РК50-17-17 и КВИМ.

return false">ссылка скрыта

Ниже приведены исследования работы такой установки. При этом активное сопротивление канала разряда принималось постоянным и равным 0.5 Ом.

Было рассмотрено три варианта выполнения разрядной цепи установки с одним, двумя и тремя передающими кабелями.

Схема замещения разрядной цепи приведена на рис. 3

 

U

 

 

Рис. 3 Схема замещения разрядной цепи.

 

На схеме приняты следующие обозначения:

- С1 - емкость накопительных конденсаторов равная 3 мкФ;

- L1, R1 - индуктивность и активное сопротивление передающих кабелей;

- R2 - активное сопротивление рабочего разрядного промежутка;

- U - зарядное напряжение, равное 30 кВ.

- Р1 - коммутатор

 

Как известно [5], выражение для разрядного тока такой цепи имеет вид:

где:

ω - собственная круговая частота разрядной цепи

b - коэффициент затухания.

 

Исходя из данной формулы, были рассчитаны и построены графики изменения тока в разрядной цепи при разном количестве передающих кабелей типа РК-50-9-11. Результаты расчета приведены на рис. 4.

 

Рис. 4 Графики изменения разрядного тока

Результаты расчетов сравнивались с осциллограммами разрядного тока установки ЗЕВС - 42, полученными в лабораторных условиях и условиях промышленной эксплуатации. Согласие расчетных и экспериментальных результатов лежит в пределах погрешности измерения (не более 10%).

Как показано выше, уменьшение индуктивности передающей линии приводит к заметному увеличению, амплитуды токового импульса через разрядный промежуток, что в конечном счете, как правило, увеличивает производительность установки. На практике создание передающей кабельной линии, состоящей из большого числа кабелей, сдерживается технологическими возможностями изготовления, удобства эксплуатации и в реальных установках передающая линия состоит не более чем из 2 - 3 параллельных линий.

В настоящее время в качестве рабочего кабеля для электрогидроимпульсных установок «ЗЕВС», предназначенных для очистки фильтров водозаборных скважин, используются кабель РК50-17-17 и кабель КВИМ. До сегодняшнего дня максимальная глубина скважин, очищаемых с помощью данной технологии, составляла 300 метров. Соответственно, длина рабочего кабеля также составляла 300 метров. При такой длине передающего кабеля качество очистки фильтра скважины полностью удовлетворяла заказчика.

Однако в последнее время возникла потребность очистки скважин глубиной 700 и даже 1000 метров.

Как известно, эффективность передачи энергии в нагрузку в емкостных накопителях энергии, которые являются основой установок «ЗЕВС», в очень большой степени зависит от индуктивности разрядной цепи. При увеличении длины рабочего кабеля с 300 до 700 метров, соответственно будет увеличиваться и его индуктивность и активное сопротивление. Поэтому перед созданием такой установки были проведены проверочные расчеты. И первым вопросом, возникшем при этом, был вопрос о методе расчета разрядной цепи емкостного накопителя энергии. Можно ли применить метод расчета цепи с сосредоточенными параметрами либо необходимо применять методы расчета цепей с распределенными параметрами. Для этого надо сравнить длину волны в кабеле с длиной самого кабеля.

Для расчета были взяты обе марки кабеля. Технические характеристики кабелей приведены в таблице №1.

 

Таблица №1

Параметр	РК50-17-17	КВИМ
Волновое сопротивление, Ом
Погонная индуктивность, нГ/м
Погонная емкость, пкФ/м
Погонное активное сопротивление, мОм/м	2.6	2.5

 

Длина волны в кабеле определяется по формуле:

λ=v*T

где v – скорость распространения волны по кабелю;

T – период колебаний разрядного контура.

Период собственных колебаний разрядной цепи определяется следующим соотношением:

 

Скорость распространения электромагнитной волны по кабелю вычисляется как:

где:

с=300 000 км/с – скорость света;

ε=2.3 диэлектрическая проницаемость полиэтилена.

Результаты расчета всех этих величин сведены в таблицу №2.

 

Таблица №2

	РК50-17-17	КВИМ
V ,км/с	197 814	197 814
T ,мкс
λ, м

 

Анализируя данные таблицы №2, мы видим, что при использовании кабеля любой марки можно использовать методы расчета цепей с сосредоточенными параметрами.

Дальнейшие расчеты величины разрядной цепи проводились по схеме замещения, которая приведена на рис. 5.

С – емкость батареи конденсаторов и кабеля;

R – сопротивление разрядной цепи;

L – индуктивность разрядной цепи;

Z – изменяемое сопротивление нагрузки.

 

Рис. 5. Схема замещения для расчета величины разрядной цепи

 

Результаты расчета тока в цепи приведены на рис. 6

Рис. 6. Расчет тока в цепи

 

Мощность, выделяющаяся в нагрузке, при изменении ее от 0.5 Ом до 2 Ом, показана на рис. 7.

 

Рис. 7. Зависимость изменения мощности от изменения нагрузки

 

Анализируя, полученные результаты и сравнивая их с результатами расчета для установок с длиной кабеля 300 метров по мощности, выделяемой на нагрузке, можно с большой долей уверенности сказать, что установки ЗЕВС можно эффективно использовать для очистки фильтров скважин глубиной до 700 и более метров.

 

 

Рис. 8. Результаты изменения мощности для установок с длиной кабеля 300 метров

 

При очистке скважины рабочий орган, подключенный к коаксиальному кабелю, опускают в скважину на необходимую глубину (см. рис.1б), включают установку и обрабатывают очищаемую зону. Перемещают рабочий орган обычно с помощью ручной или электрической лебедки.

Основные рекомендации по применению электрогидравлической обработки отражены в [6]. Общее время обработки определяется конструкцией скважины. На 1 м фильтров с проволочной обмоткой или штампованным листом достаточно 300 - 500 импульсов, сетчатых фильтров — 100-200 импульсов. Для фильтрованных каркасов, установленных в полускальных породах, количество импульсов на 1 м фильтра должно быть не менее 500.

В [9] приведен пример использования электрогидравлической установки ЗЕВС для восстановления дебита скважин водозабора "Кедровый" МУПУ "Гор-водоканал". Помимо указанной установки в работе применялись: электрическая лебедка с ба­рабаном для перемещения кабеля РК-50-11-11, на конце которого закреплялся рабочий орган диаметром 120 мм; водоподъемная колонна диаметром 114 мм; электрический и бензиновый компрессоры; труба ПНД32"Т"; электроуровнемер. Электрогидроимпульсная обработка фильтра скважин проводилась при перемещении рабочего органа установки сверху вниз, при этом разряды происходили в относительно чистой воде, что приводило к увеличению амплитуды ударной волны. Рабочий орган перемещался дискретно с подачей импульсов с частотой 1,7-3 Гц через каждые 15-20 см. При этом на 1 погонный метр фильтра приходилось 500-1000 импульсов.

По окончании обработки скважины отбитые отложения собираются в области фильтра. По своему составу они близки к песчаным пробкам. Поэтому для их удаления применимы те же методы, что и для удаления песка. Для извлечения песчаных пробок и шлама из скважин может применяться прокачка эрлифтом, водоструйным насосом или погружным электронасосом [8].

При прокачке эрлифтом воздушная и водоподъемная труба монтируются на небольшом расстоянии от верха песчаной пробки, затем по мере размывания и выноса песка из скважины трубы эрлифта опускают ниже. В случае недостаточности притока воды к скважине для обеспечения интенсивности прокачки, вода в обрабатываемую скважину подается извне. При прокачке водоструйным насосом специальная конструкция такого насоса на трубах опускается в скважину. По нагнетательному трубопроводу подается вода с повышенным давлением. Во всасывающем патрубке водоструйного насоса создается разряжение и туда увлекается песок. Затем песок вместе с подаваемой водой по отводящему трубопроводу выносится из скважины. Аналогично предыдущему случаю по мере удаления песчаной пробки насос по-интервально перемещается по полости скважины. Прокачка скважин погружными электронасосами возможна только теми типами насосов, которые допускают повышенное содержание механических примесей в воде. Обработка скважины заканчивается после того, как вода не будет содержать песка при максимальном дебите. Эксплуатационный дебит назначается ниже максимального на 10-20% .

Очистка полости скважин от песка и шлама может также производиться желонированием. В данном случае скважина обрабатывается путем сбрасывания специального снаряда – желонки. Процесс аналогичный применению желонок в ударно-канатном либо ручном бурении. При попадании желонки на песчаную пробку клапан в ней открывается и внутрь поступает песок. Такие манипуляции повторяются при возвратно-поступательном движении желонки в скважине, которое передается по несущим канатам. После забора песка желонка извлекается из скважины и песок из желонки удаляется. Затем операция повторяется до полного удаления песчаной пробки.

В настоящее время электрогидроимпульсные установки ЗЕВС применяются для обработки скважин на предприятиях ООО "Тюменьтрансгаз" и ООО "Сибгеотехнология" (Тюмень), ОАО "Сургутгазпром", ОАО "Диагностика" (Краснодар), ООО "Металл-Транс" (Ташкент), МУПУ "Горводоканал" (г. Радужный), МУП "Водоканал" (г. Обнинск), МУП "Водоканал" (г. Саяны) и др.

 

 

Литература

1. Романенко А. А.. Вольницкая Э. М. Восстановление производительности водозаборных скважин. - Ленинград: Недра, 1986.

2. Балтаханов А. М.. Иванов Е. Н., Касаткин В. К.. Балтаханов Р. X. Электрогидроимпульсная установка ЗЕВС - 42 для восстановления производительности скважин. Журнал «Водоснабжение и санитарная техника»,№6, 2002.

3. СНиП 2.04.02-84. Пособие по проектированию сооружений для забора подземных вод.—М.: Стройиздат, 1989.

4. Коковязин Н. И.. Ипполитов В. В., Косенков В. М, и др. Методика определения и экспериментальные исследование удельного импульса давления, создаваемого возмущениями от источника электроразрядного типа. Журнал «Нефть и газ», №1, 2000.

5. Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил Л. В., Страхов С.В. Основы теории цепей. - Москва: Энергия, 1975.

6. Рекомендации по импульсным методам восстановления производительности скважин на воду. —М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1979.

7. Кривицкий Е. В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова Думка, 1986.

8. Белорусская государственная политехническая академия, Кафедра «Водоснабжение и водоотведение», Методическое пособие по разделу «Эксплуатация водозаборных скважин» курса «Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения» для студентов 4 курса специальности I 70.04.03.01. «Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов»,Минск, 2002 УДК 628.112

9. Агаев Б.Д., Касаткин В.К., Погорелов О.Г. Электрогидроисмульсное восстановление производительности артезианских скважин. – Промышленная энергетика, №6, 2004.