Способ образования противофильтрационной пневмогидрозавесы в грунте

 

1. СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ПНЕВМОГИДРОЗАВЕСЫ В ГРУНТЕ, включающий бурение скважин , оборудование их и нагнетание через них содержащей растворенный газ жидкости, отличающийс я тем, что, с целью сокращения затрат и продолжительности работ, в период нагнетания жидкости осуществляют введение в нее газа с со-г держанием последнего, соответствуюощм насыщению при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным половине расстояния между скважинами причем содержание растворенного в .жидкости газа поэтапно увеличивают до содерг жания, соответствующего насыщению при давлении, равном давлению подземных вод на границе с р1адиусом, равным десяти радиусам скважины. «Л 2. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что в качестве жидкости используют воду, а в качестве газообразного агента - первоначапь- . но углекислый газ, а затем воздух.

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(19) (11) 151> E 02 D 19/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1, г;. "

ЬЫ ;...,., J . -="

Ю% ь° °

М (21) 3493097/29-33. (22) 16.07.82 (46) 07.04.84. Бюл. II 13;

;72) В.И. Фоменко (7 1) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным гор ным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (53) 624. 138.24.002.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 721525, кл. Е 21 В 43/28, 1980.

2. Короткевич Г.В. Охрана подземных вод и управление их режимом путем применения методов гидрозавесы и пневмокольматажа. - "Вестник Ленинградскоого университета", У 18,, "Геология и география", вып. 3, 1976, с. 36-37. (54) (57) 1. СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ IIHEBMOI ИДРОЗАВЕСЫ

В ГРУНТЕ, включающий бурение скважин, оборудование их и нагнетание через них содержащей растворенный газ жидкости, о т л и.ч а ю щ и йс я тем, что, с целью сокращения затрат и продолжительности работ, в период нагнетания жидкости осуществляют введение в нее газа с со-.

I держанием последнего, соответствующим насыщению при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным половине расстояния между скважинами, причем содержание растворенного в .жидкости газа поэтапно увеличивают до содер жания, соответствующего насыщению при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным десяти радиусам скважины.

2. Способ по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в качестве жидкости используют воду, а в каЧестве газообразного агента — первоначал но углекислый газ, а затем воздух.

1084

Изобретение относится к охране подземных вод от загрязнения, преимущественно при разработке,месторождений полезных ископаемых подземным выщелачиванием, и может быть использовано для защиты подземных вод от загрязнения сточными водами неэкранированных хвостохранилищ, гидроотвалов, накопительных прудов, а также для предотвращения истощения водо- 10 носных горизонтов при их осушении.

Известен способ охраны подземных вод, включающий бурение скважин и закачку в них нейтральной жидкос- . ти С13.

Недостатками способа являются трудоемкость и большой расход воды.

Кроме того, гидрозавеса не гарантирует полной изоляции от водопритока, для уменьшения которого гидроэавесы сочетают с пневмокольматажем .области фильтрации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ образования противофильтрационной пневмогидрозавесы в грунте, включающий бурение скважин, оборудование их и нагнетание через них содержащей растворенный. гаэ жидкости. Пневмокольматаж области фильтрации осуществляют подачеи воздуха через скважины в количестве, соответствующем пределу насыщения воды растворенным в ней воздухом при давлении нагнетания.

Для обеспечения продвижения воды в пласт давление нагнетания должно

35 быть не меньше давления воды в скважине и пласте. Фильтрация воды, насыщенной воздухом при максимальном давлении, в зоны с меньшим гидо 40 родинамическим давлением вызывает выделение избыточного газа н последовательный пневмокольматаж зон, начиная от прискважинной (2 ).

Однако такая последовательность

45 кольматажа, снижающая водопроницаемость сначала прискважинной зоны, создает дополнительное сопротивление движению газонасыщенной воды к периферии, замедляет формирование пневмогидроэавесы во всеи области

50 фильтрации, повышая.затраты на ее создание и увеличивая продолжительность работы.

Цель изобретения " сокращение затрат и продолжительности работ.

5S

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему бурение скважин, оборудование

371 2 их и нагнетание через них содержащей растворенный газ жидкости, в период нагнетания жидкости осуществляют введением в нее газа с содержанием последнего, соответствующим насыщению при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным половине расстояния между скважинами, причем содержание растворенного в жидкости газа поэтапно увеличивают до содержания, соответствующего насыщению при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным десяти радиусам скважины.

В качестве жидкости используют воду, а в качестве газообразного агента — первоначально углекислый газ, а затем воздух.

На фиг. 1 изображена схема сооружения скважин в зоне фильтрации; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — разрез Б-Б на фиг. 2 (начальная фаза формирования пневмогидроэавес i в периферийной зоне); на фиг..4 — завершающая фаза форинрования пневмогидроэавесы в периферийной зоне", на фиг. 5 — фаза формирования пневмогидрозавесы в прискважинной зоне1 на фиг. 6 — то же, в фазе завершения, на фиг. 7 — график зависимости давления насыщения жидкости газом от расстояния между зоной кольматации и осью скважин.

Способ образования противофнльтрационной пневмогидрозавесы в грунте осуществляют следующим образом.

По трассе сооружаемой противо-фильтрационной завесы бурят скважины 1, пересекающие водоносный слой.

2, с расстоянием 26 между ними (фиг. 1 и 2). Скважины 1 оборудуют при необходимости фильтрами, герметизируют их устья и соединяют трубопроводом 3 с насосом 4, а трубопровод соединяют через ресивер 5 с компрессором 6.

Посредством насоса 4 и компрессора 6 в скважины 1 нагнетают жидкость и газ, причем газ в процессе движения вместе с жидкостью растворяется в ней. В начальный период нагнетания в жидкость вводят газ с содержанием, соответствующим насыщению растворенного в жидкости газа при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным

3 10 половине расстояния между скважинами 1. Затем содержание растворенного в жидкости газа поэтапно увеличивают до содержания, соответствующего насыщению растворенного в жидкости газа при давлении, равном давлению подземных вод на границе с радиусом, равным десяти радиусам скважины 1.

В качестве жидкости может быть использована вода, а в качестге газообразного агента — на начальной стадии нагнетания углекислый гаэ, а затем воздух.

Формирование пневмогидрозавесы осуществляют поэтапно: вначале производят пневмокольматаж зоны, удаленной от скважины на расстояние

R >6 (где Ь вЂ” половина расстояния между скважинами), а затем последо- . вательно кольматируют зоны, менее удаленные от нее. Причем вокруг скважины на расстоянии, равном десяти ее радиусам, оставляется незакольматированная зона. Размеры этой зоны устанавливаются на основании анализа графиков изменения дебитов скважин при кольматации прифильтровой зоны, из которых следует, что при кольматации пласта в зоне, не превышающей десяти радиусов скважины, дебит ее падает более существенно, чем за ее пределами.

Таким образом, при пневмокольматаже более удаленных зон газированная жидкость двигается через незакольматированные.менее удаленные зоны с меньшим гидравлическим сопротивлением, что позволяет сократить затраты и время на формирование пневмогидрозавесы.

Использование углекислого газа на начальном этапе нагнетания газонасыщенной жидкости обусловлено его более высокой растворимостью в воде. С помощью углекислого газа при малой разнице между давлением насыщения воды газом и динамическим давлением в зоне его выделения, что характерно для области пласта, кольматируемой на начальном этапе, можно добиться большей степени пневмокольматажа этой зоны, чем с помощью воздуха.

На последующих этапах вследствие больших расходов газа целесообразно использовать более дешевый воздух..

Пример 1. Источником заг" рязнения подземных вод является хвос40 2 ° 3 14 ° 10 10 SO . ьо, э,14.200. 600

3,И 0,2 60 800

= 2331 м /сут

Формирование пневмогидрозавесы

4> осуществляют в три этапа: на первом производят пневмокольматаж пласта вне зоны расположения скважин на расстоянии R > 60 м, на второмпневмокольматаж зоны 30 м К4 60 м, 50 на третьем — зоны 2 м4 К 430 м.

Третий этап продолжается в течение всего периода функционирования завесы .

Величину. давления на границе вы-.

55 деленных зон определяют по известным зависимостям динамики подземных вод.

На границе периферийной и прискважинкой зон, находящейся на расстоя84371 4 тохранилище 7 (фиг. 1), расположенное в балке глубиной Н, вскрывающей напорный водоносный горизонт 2 мощностью m . Глубина наполнения хвостохранилища и, Водоносный горизонт, приуроченный к пескам, имеет коэффициент фильтрации К, высоту напора и соответствующее гидростатическое давление Р, равное 10 м водяного столба. Со стороны левого борта хвостохранилища протекает река 8 на расстоянии . от него, которая вскрывает и дренирует горизонт. Для предотвращения загрязнения подземных вод и реки вдоль борта хвостохранилища на расстоянии R от него

1 сооружают ряд скважин 1 радиусом кс с расстоянием 2 Ь между ними (фиг. 2). Устье скважин герметизируют и соединяют трубопроводом 3 с насосом 4,,а трубопровод 3 через ресивер 5 — с компрессором 6. При давлении нагнетания воды Р, соответствующем напору водяного столба

S = Н вЂ” m, объем поглощаемой каждой скважиной воды О. составит:

2я К„ю5 я а

"г(.. 6 где К вЂ” расстояние от скважины до

2 реки, b — половина расстояния между геометрическими осями,сква35 жин.

При К., = 10 м/сут, m = 10 м, S = 50 М, 6 = 60 м, r = 0 2 è, = 800 м, R = 200 м, RÕ= 600 м

1084371 где Н вЂ” пьеэометрический напор в расчетной точке, H> — пьезотермический напор в скважине, 10

8 — повышение напора в скважине при нагнетании, R0--. R1+К вЂ” расчетный радиус, L. — расчетный коэффициент. (3) .1+ А о где А — коэффициент," определяемый по графику. где S й

Т km

55

S нии R 4 = 60 м от осн скважин, пьезометрический напор можно рассчитать по зависимости

Нр Н - 80(1-0,22 - — ) (2)

9 мо

1 — — » — — — — — 0,8

2.. 60

1 4 193

2 60

Н = 60-50(1-0 22 -" — -)О 8 20 м о 400

Это соответствует напору, с учетом которого рассчитывается содержанп = воздуха в нагнетаемой воде. На границе прискважинной зоны и зоны с

1 радиусом -ь — = 30 м пьезометричес,2 кий напор определяют с использованием зависимости Дюпюи

5=-5023, Ь, ((И х с — повышение напора в расчетной точке, — дебит скважины, — проводимость, - расстояние до расчетной точки, 2331 30

S 50- — — — — — - Ill — -=

3, 14 .10 -10.. 2 0,2

30 м.

Это соответствует напору над подошвой пласта 40 м, иэ которого рассчитывают содержание воздуха в нагнетаемой воде иа стадии пневмокольматажа эоны с радиусом b

На границе незакольматированной эоны пласта радиусом 10k и эакольматированной зоны пьезометрический ианор рассчитывают.llo зависимости (3) при

В 10r =2ми БО=50м. с

2331 2

S 50- — — — — —— In — — - 45

2 3,14 10 10 0,2

Это соответствует напору водяного столба над подошвой пласта в

55 м, из которого рассчитывают содержание нагнетаемого воздуха в воде на завершающей стадии формирования пневмогидрозавесы. Для создания лневмогидр в скважины 1 нагнетают гаэонасыщенную жидкость

9 — воду, насыщенную воздухом, например, путем его диспергирования в трубопроводе 3 под давлением, соответствующим напору водяного столба в 60 м над подошвой водоносного горизонта или в 50 м над кровлей.

Устройство для насыщения воды газом может быть выполнено в виде проточной для воды камеры, в которой установлен тонкопористый фильтр для диспергирования воздуха в воде, подсоединенный к компрессору.

Содержание воздуха в воде на первом этапе .сольматажа о- = О 084 м3

Ь1 в 1 м воды, что равно пределу насыщения при минимальном гидродинамическом давлении Р,„; (фиг. 7)в водоносном горизонте, соответствующем напору Ь-ш = 20 м водяного столба посредине между скважйнами (R = 5 ). При этом происходит пневмокольматаж периферийной зоны с

R > 60 м, а прискважинная эона с

R C 60 м сохраняет прежнюю проницаемость. После достижения установившегося движения газонасыщенной жидкости в пласте (фаэа на фиг. 4) увеличивают содержание в ней воздуха до я = О, 112 м 3 в 1. м3 воды, что равйо пределу насыщения газом

Ъ при давлении Par в пласте на расстоянии R = 6 /2 от оси скважины, соответствующем напору водяного столба в 40 м над подошвой пласта (фаза йа фиг. 5). Период нагнетания равен времени подхЬда фронта газонасыщенной жидкости к расчетной точке и определяется опытным путем, например с помощью наблюдательных скважин. На последнем этапе (фаза на фиг. 6) содержание воздуха увеличивают до Р;З = 0 154 м3 в 1 м, рав равном пределу насыщения при Р соответствующем напору h ö„= 55 м водяного столба в -пласте на расстоянии R = 10r = 2 м от оси скважис ны. В дальнейшем содержание возду8

7 108437

xa g поддерживают весь период рабо3 ты завесы. В результате такого последовательного увеличения содержания воздуха в нагнетаемой воде в соответствии с ростом гидродинамичес- 5 кого давления в пласте от периферии к скважине пневмокольматаж начинается также в периферийной зоне и заканчивается около скважины при

R = 10гс. При этом прискважинная 10 зона с радиусом R < <2 м остается незакольматированной, т.е. с прежним коэффициентом фильтрации К 1 =

=10 м/сут. Коэффициент фильтрации К пласта за пределами этой зоны после создания пневмогидрозавесы уменьшается в среднем в 5 раз, т.е. K2 =

«10:5 = 2 м/сут.

Для определения объема воды, поглощаемой каждой скважиной после коль- 20 матажа, вычисляют эквивалентный радиус скважины rK, учитывающий прискважинную зону радиусом го-2 м и сохраненным коэффициентом фильтраии. 25

40

Время кольматации прискважинной 30ны с радиусОм 10ГС

3 14 1 0 ° 0 2.302

t - - — — — —, — — — — 2 сут

2331

Общее время формирования пневмогидрозавесы составит 108 + 10 + 2=

120 сут.

В таблице представлена характеристика параметров предлагаемого спосо55 ба.

Ц

1 "o 2 Й

Еп — =Ел — + — Š—, (5) с K1 гО где R — радиус влияния скважины (R = Д= 60м) о 2 9 е" =ьа-е.— — — ь

К "с "о

r K2 R

I?nR-еп — - — Ь—

"с Ki "о

"-Ю / 2 60 ЬЬО-Š— -02 Е, —

Г =Z,7

0,2 2

=1,75м .

Объем воды, поглощаемой каждой скважиной, согласно (1) составит

23142 ° 1050

0 — — - — — — — — — — — ——

60 3 14 200 600

3, 14 ° 1,75 60.800

= 556 м /сут, что в 4 раза меньше, чем до пневмокольматажа (Я : Яo = 2331:556 =

4:1).

Пример 2. На начальном этапе пневмокольма-.ажа в скважины 1 нагнетают воду, насыщенную углекислым газом, при давлении Р н, соответствующем напору водяного столба в 60 м. Содержание. углекислого газа в 1 мЪ воды g 1 = 0,504 мЗ, что равно пределу насыщения воды при гидродинамическом давлении P > соответствующем напору h-m = 20 м водяного столба посредине между скважинами (R = 4 ). .При этом происходит кольматаж углекислым газом периферийной зоны с К>6. На последующих этапах нагнетают воду, насыщенную воздухом при давлении, аналогичном соответствующему этапу примера 1.

Вследствие высокой растворимости углекислого газа в воде (1,20 м в

1 м воды при атмосферном давлении против 0,02 м для воздуха) степень насыщения периферийной зоны завесы газом возрастает в 60 раз.

Для предотвращения укрупнения пузырьков газа и повышения степени сцепления их с породой в воду можно добавлять поверхностно-активные вещества, например сульфанол, в количестве 0,057 от веса эакачивае- .мой воды, что не превышает его предельно допустимой концентрации по санитарным нормам.

Сравним время формирования пневмогидрозавесы в предлагаемом способе и прототипе. В предлагаемом способе на первом этапе кольматируется периферийная зона с К„), R>6 а прискважинная эона с Ксй сохраняет свою проницаемость. Поэтому дебит скважины 9 = 8331 м3/сут. Время кольматации периферийной зоны где n — пористость пласта, К вЂ” радиус периферийной зоны.

При n = 0,2 и К = R> = 200 g (расстояние от скважины до хвостохранилища)

3 14 10.0 2.200

108 сут.

2331

Время кольматации зоны -(рk g

3 14.10.0 2 60

10 сут

2331

1084371

1О

Границы кольматируемой зоны, м

Фазы формирования завесы в зонах

Давление на границах зон, мПа (м вод.ст.) Количество растворенного газа в нагнетаемой воде, мЗ/м 3

Время пневмо кольматажа зоны, сут периферийной (фиг. 4) 0,2 (20,0) 0,084

200) R > 60

108 прискважинной (фиг. 5) 0,4 (40) 10,0

60>i R)r30

0,112 прискважинной (завершающей, фиг. 6) 0,55 (55) 0,154

30>, R> 2

2,0

35

45

2.3 14.10 10 50

Как видно из таблицы, формирование пневмогидроэавесы разделяется. на три фазы.

В первой фазе формируется периферийная эона пневмогидрозавесы на расстоянии от скважины 200 м R ) 60м.

Продолжительность фазы 108 сут, в течение которых воздух добавляют в нагнетаемую воду в количестве

0,084 мЗ на 1 мЗ нагнетаемой воды., что соответствует. пределу насыщения воды при давлении на внутренней границе периферийной эоны 0,2 NIIa (20 м вод. ст.).

Во второй фазе формируется пневмогидрозавеса в прискважинной зоне на расстоянии 60 м 3 R 3 30 и. Продолжительность фазы 10 сут, в течение которых воздух добавляют в количестве 0 012 м на 1 м нагнетае3 мой воды, что соответствует пределу насыщения им воды при давлении на внутренней границе прискважинной зоны 0,4 МПа (40 м вод. ст.).

В третьей фазе формируется пневмогидрозавеса в зоне на расстоянии

30 мЪ R Ъ 2 м от оси скважины. Продолжительность фазы 2 сут, в течение которых в нагнетаемую воду подают воздух, в количестве 0,154 м

3 на 1 м нагнетаемой воды, что соответствует пределу насыщения им воды при давлении на границе, удаленной о т скважины на 2 м, равному 0,55 МПа (55 м вод, ст.).

Общая продолжительность формирования пневмогидрозавесы 120 сут, после завершения которого для поддержания пневмогидрозавесы осуществляют нагнетание воды с воздухом в таком же количестве, как в третьей фазе.

В известном способе на первом этапе кольматируется прискважинная зона. Время ее кольматации примерно то же, что и предлагаемом способе.

Чтобы определить дебит скважины на последующем этапе периферийного кольматажа и затем время формирования периферийной завесы, рассчитают эквивалентный радиус скважины. Согласно формуле (5) при г о = 6 (радиус закольматированной зоны),и соотношению коэффициентов до и после фильтрации К„/К = 10/2 эквивалентный радиус

Ь200-Ь вЂ” - — fn

60 10 pe

0,Я 2 2 т =2,1 =0,00000% м .

Тогда дебит скважины по формуле (1) составит

60 3 14 200-600

3,14 5,5. 10 6 60 800

1370 м /сут

84371

1,75 м. В прототипе же в результате кольматажа около скважины формируется практически однородная область с постоянной

5 сниженной проницаемостью, поэтому в расчет принимается радиус скважины r2 = г< 0,2 м. С учетом это- го равенство примет вид

10 6ÎÅn Ь =t . I?n г

ЬО

З,fk 1,75 2 3,1Ф 0,2 где Б= 35 м.

11

Время формирования завесы в периферийной зоне согласно формуле (6)

3 14-10 0 2 ° 200 — 183 сут

Э что примерно в 1 7 раза больше, чем в предлагаемом способе.

Эффективность завесы определяется положением ее уровня между скважинами, который должен быть не ниже уровня воды в источнике загрязнения. Уровень завесы S является функцией параметров скважины и радиуса ее влияния и поэтому пропорционален коэффициенту 1., определяемому равенством

1+ „O,.1ЗЕо где г — радиус скважины;

К вЂ” радиус влияния скважины, . 26 — расстояние между скважинаПри условии равной эффективности завес в предлагаемом и известном способах должны соблюдаться равенст25 ва S 1 = S и I = 4 (индекс 1 от2 носится к предлагаемому способу, 2 - к известному). Тогда

26„

073 Ь = 073 Ь

Л "1 и Г "2 или

1 1 2 МХ

После завершения пневмокольматажа в предлагаемом способе остается неэакольматированной околоскважинная зона в 10r< с сохраненной проницаемостью, поэтому в расчет принимается эквивалентный радиус скваКак видно из сравнения 6 = 60 м

1 и 6 = 35 м, расстояние между скважинами в предлагаемом способе в

1,7 раза больше, чем в известном.

Во столько же раз сокращается количество скважин в предлагаемом способе. Таким образом, увеличение эквивалентного радиуса скважины в предлагаемом способе позволяет благодаря последовательному пневмокольматажу от периферийной зоны к скважине увеличить расстояние между барражными скважинами при сохранении требуемого уровня завесы и сократить их число.

Использование предлагаемого способа позволяет по сравнению с известным сократить время создания пневмогидрозавесы, уменьшить количество скважин и повысить эффективность завесы путем увеличения степени газонасыщения ее. периферийной зоны, в результате чего снижаются затраты . и продолжительность работ.

Кроме того, предлагаемый способ по сравнению с известным позволит уменьшить расход воды в 4 раза.

1084371

1084371

Составитель М. Хасин

Редактор Т. Мермелштейн . Техред С.Мигунова Корректор А.Тяско

Заказ 1942/23 Тираж 644 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская,наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4