Способ предотвращения появления оксидов железа в артезианских скважинах, обсаженных металлическими трубами с помощью герметичного оголовка

Изобретение относится к водоснабжению и может быть использовано при оборудовании артезианских скважин с гидроаккумуляторами и бетонными резервуарами для хранения воды. Также может быть использовано на артезианских скважинах с водонапорными башнями и металлическими емкостями при их герметизации. Способ предотвращения появления оксидов двух- и трехвалентного железа в воде артезианских скважин заключается в установке оголовка, обеспечивающего герметизацию обсадной трубы от проникновения кислорода воздуха, а также герметичный ввод кабеля и водоподъемной трубы при входе в оголовок. Техническим результатом является уменьшение содержания общего железа в скважинах, обсаженных металлическими трубами, до значения менее 0,3 мг/л, то есть обеспечивается соответствие ГОСТу «Вода питьевая».

 

Изобретение относится к водоснабжению и может быть использовано при оборудовании артскажин с гидроаккумуляторами и на водозаборах с бетонными резервуарами. Также может быть использовано на артскважинах с водонапорными башнями и металлическими емкостями при их герметизации. В основе существующих методов отчистки артезианской воды от оксидов железа лежит насыщение ее кислородом воздуха. При этом происходит реакция окисления двухвалентного железа до трехвалентного. В свою очередь, методы условно можно разделить на наземные и подземные (патент №2167826). В наземных установках трехвалентное железо выпадает в осадок в виде нерастворенного железа и выводится в канализацию. Недостатком метода является его дороговизна. Подземный метод обеспечивает закачку большого количества аэрированного воздуха с помощью наземных компрессоров эрлифтными установками. При этом происходит окисление больших объемов и площадей. Но вывода трехвалентного железа не может быть в принципе (замкнутая система). Поэтому по истечении времени общее железо увеличивается в три-четыре раза по сравнению с начальным значением. Все вышеперечисленные методы очистки воды основаны на предположении, что оксиды железа образуются из солей железа при прохождении воды через горные породы. А так ли это? Например, пирит Fe₂S, часто встречаемый в Юрских отложениях, должен был бы окислиться до лимонита FeOOH·(Fe₂O₃·nH₂O). Но достают кристаллы пирита на поверхность земли неизмененными за миллионы лет существования Юрской системы, в форме кубической сингонии. Аммониты (раковины головоногих моллюсков), добытые из Юрских глин, сначала имеют перламутровый глянец, но, побывав на воздухе, тускнеют. Следовательно, здесь (в Юрских отложениях) и глубже, где находятся водовмещающие породы, в данном случае известняки и доломиты, отсутствует окислитель. Нет окислителя - нет окислительно-восстановительных реакций - и нет оксидов железа. Это же подтверждают анализы воды из родников, не каптированных металлическими трубами. Содержание общего железа из родников, приуроченных к Четвертичным отложениям ноль или около того, в родниках из Каменноугольных отложений около 0,01 мг/л. Откуда же тогда берется общее железо в воде с содержанием более 1,0 мг/л и в различных вариантах на одном и том же водоносном горизонте, сравнительно на небольших площадях? Ответ - с металлических обсадных труб и водоподъемной колонны (если она металлическая). При отборе воды из артскважин происходит понижение уровня от статического до динамического. Понижение меняется в различных интервалах: от сантиметров до десятков метров, и зависит от различных гидрогеологических параметров. Включение скважинных насосов может производиться несколько раз в сутки в зависимости от объема резервуаров и водопотребления. Таким образом, в окислительно-восстановительных реакциях могут участвовать различные площади металла с участием кислорода и воды. В присутствии кислорода в нейтральных или близких к ним растворах (а таковыми и являются артезианские воды) разрушение железа протекает по реакции

Fe=Fe²⁺+2ē (на аноде)

1/2O₂+Н₂O+2ē =2OH (на катоде)

При этом образуется Fe³⁺, а при недостатке кислорода получается смешанный окисел ферроферрит (Fe₃O₄×Н₂O). То есть, именно кислород является возбудителем окислительно-восстановительных реакций. Вода (1 л), насыщенная воздухом, может вызвать коррозию на поверхности (1 см²) железа на глубину=>0,022 мм. Какой же объем железа, подвергшегося коррозии, можно ожидать на поверхности в 60 м²? Именно такую, а иногда и большую площадь охватывают окислительно-восстановительные реакции при определенных гидрогеологических условиях в артскважинах. Например: при отборе воды из скважины 60 м³/час и удельном дебите 2 м³/час на 1 м понижение падение уровня воды составит 30 м. При эксплуатационной колонне 325 мм и водоподъемной колонне 114 мм площадь окислительно-восстановительных реакций с учетом внутренней и внешней стороны эксплуатационной колонны составит около 66 м²! И это при одном включении насоса. Очевидно, что содержание железа в воде для данного горизонта в локальной области не является константой (об этом говорит различное содержание общего железа в скважинах при кустовом бурении на один горизонт), а является функцией от:

1. Удельного дебита скважины. И чем он меньше - тем больше понижение уровня воды - и тем больше площадь окислительно-восстановительных реакций. И, как следствие, увеличение содержания общего железа в составе воды.

2. Конструкции скважины. Чем больше диаметр эксплуатационной колонны, тем, опять же, больше площадь реакции и тем больше содержание общего железа.

3. Количества отбираемой воды из скважины. Чем больше воды отбираем - тем больше понижение, что влечет за собой увеличение площади реакции и, соответственно, увеличение содержания общего железа.

4. Количества включений насоса. Чем чаще включения, тем больше площади обнажения эксплуатационной колонны и тем больше площади реакций и больше, соответственно, содержание общего железа.

Именно этим объяснятся инвариантность содержания общего железа из одного водоносного горизонта на сравнительно небольших участках. Как было сказано выше, присутствие кислорода определяет наличие окислительно-восстановительных реакций. Убрав кислород, мы исключаем возможность таких реакций. Уменьшить содержание кислорода можно с помощью герметичного оголовка. Герметизация оголовка скважин может быть достигнута различными способами. Например, с помощью двух фланцев, стягивающих резиновый тор болтами (оголовок фирмы Джилекс). Во втором примере нижний фланец может быть приварен к обсадной трубе, а верхний фланец через резиновую прокладку, посредством стягивания болтов, обеспечит герметичность. Герметичность кабеля достигается специальными вводами, а герметичность водоподъемных труб вваренным бочонком. Примеров герметизации может быть много. Но результат один - кислород не проникает к обсадным трубам, и не образуются оксиды железа. Технический результат: уменьшение содержания общего железа в скважинах, обсаженных металлическими трубами, до значения менее 0,3 мг/л, то есть обеспечивается соответствие ГОСТу «Вода питьевая».

Способ предотвращения появления оксидов железа в воде артезианских скважин, обсаженных металлическими трубами, заключается в установке оголовка, обеспечивающего герметизацию обсадной трубы от проникновения кислорода воздуха, а также герметичный ввод кабеля и водоподъемной трубы при входе в оголовок.