Вопросы и ответы

Какие процессы формируют кольматацию в водозаборных скважинах?

Библиографическая ссылка ГОСТ:
Вопросы и ответы. Вопрос №43: Какие процессы формируют кольматацию в водозаборных скважинах?  / ООО ГК «Архимед» [Электронный ресурс] / А.А.Цымбалов. М.2014-2021. Режим доступа URL: http://doktorsc.ru/index.php/voprosy-i-otvety/186-vopros-43-pod-dejstviem-kakikh-protsessov-obrazuetsya-kolmatatsiya-v-skvazhinakh 

 

Процесс кольматации водозаборной скважины имеет длительный период, в течение которого кольматант, как вещество, преобразуется из жидкого состояния в твердое. Твердый кольматант представляет собой осадок из химических элементов, характеризующий его физико-механическую прочность.

Кольматант является веществом геофизической среды и одновременно составной частью породы, сформированной под воздействием геофизических полей. Воздействие геофизических полей (гравитационного, электромагнитного, теплового) способствует обмену энергией и веществ в геосферах.

Эти поля  определяют характер и направление миграции электрически заряженных частиц, процессы растворения, окисления, дифференциации (по плотности) веществ, деформации, разрушению, смещению пород и др. Указанные процессы геофизических полей наблюдаются в околоскважинной водонасыщенной поровой зоне, как составной части геофизической среды (ГФС).

Геодинамическая активизация в ГФС из-за добычи воды из пласта приводит, начиная с момента эксплуатации водозаборной скважины, к кольматации участка системы пласт-скважина.

Кратко остановимся на формировании кольматации околоскважинной зоны под воздействием геофизических полей, главным из которых является гравитационное поле.

Гравитационное поле Земли  это поле силы тяжести, обусловленное тяготением Земли, и центробежной силой, вызванной ее суточным вращением. Гравитационное поле Земли отражено в законе всемирного тяготения (И.Ньютон, 1687). Основными элементами гравитационного поля являются ускорение свободного падения и вторые производные потенциала силы тяжести.

Визуализацию изменения гравитационного поля Земли от стандартного значения можно наблюдать на основе вариации данных NASA Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). (Для справки: GRACE - это совместная работа Центра космических исследований Техасского университета в Остине; Лаборатории реактивного движения НАСА, Пасадена, Калифорния; Немецкого космического агентства и Немецкого исследовательского центра науки о Земле, Потсдам).
Гравитация определяется массой. Масса Земли распределяется неравномерно, и она тоже меняется со временем.

Нас больше будут интересовать следствия сил гравитации, обуславливающие гравитационные явления, определяющие экзогенные, эндогенные и техногенные процессы. Данные процессы ведут к нарушению равновесия в горных породах и к их изменению, важную роль в которых выполняет сила тяжести и вода. По данному характерному признаку гравитационные явления подразделяются как гравитационные, гравитационно-аквальные, аквально-гравитационные и гравитационно-субаквальные. Отметим, что в нарушении устойчивого равновесия горных пород имеет отношение землетрясения, взрывные работы, сброс вод с крутых склонов на поверхность (водную, земную) и любые другие волновые проявления.

О аномалиях силы тяжести, размерности гравитационной постоянной (четыре мировые константы: постоянные гравитации, Больцмана, Планка, скорости света сформулировали антропный принцип происхождения Вселенной, начиная с Большого взрыва) ундуляции геоида, природе аномалий Буге, плотностной неоднородности слоев поверхности Земли можно узнать, обратившись к специальным литературным источникам.

Гравитационные явления наблюдаются под действие только силы тяжести. При таких условиях в наземной части наблюдается отрыв глыб горных масс (снежные лавины, обвалы) по трещинам, образованным от выветривания, землетрясений, техногенных взрывов. В подземной части образуются пустоты. Это ведет к проседанию земной поверхности, образуя провальные углубления в виде колодцев и воронок.

Гравитационно-аквальные явления считаются наиболее распространенными и связаны с оползнями горных пород. Оползневое тело обычно движется по глинистым породам. Механизм смещения оползневых масс вызывается воздействием атмосферных осадков, от активизации подземных вод и землетрясений.

Аквально-гравитационные явления формируются с активным воздействием воды. На земной части это выражается в оползневых потоках, оплывинах, селях. В подземной части в период гидрогеологической активности поверхностных и подземных вод (снеготаяние, наводнения) подземные источники (колодцы, скважины, галереи, дренажи) испытывают усиленное вмывание глинистых образований в коллекторно-фильтровую часть водного эксплуатационного пласта.

Большой объем воды с земной поверхности за счет инфильтрации заставляет проникать разнородные химические элементы в водоносный горизонт. Резкий подъем уровня грунтовых вод уменьшает сцепление между твердыми частицами породы водоносного горизонта, вызывая разрыхление околоскважинных зон. В результате чего порода пласта приобретает текущую консистенцию.

Текучесть коллекторно-фильтровой зоны позволяет глинистым частицам и другим органическим включениям проникать в межзерновые зазоры и забивать их и проходные сечения ячеек сетки фильтра скважины. После возвращения уровня грунтовых вод в исходное состояние глинистые частицы остаются в межзерновых участках и ячейках фильтра, создавая генезис кольматации околоскважинной зоны.

Гравитационно-субаквальные явления образуют оползни на подводных склонах рек, озер, морей, океанов. Их подземный осадочный слой из илистых образований под действием силы тяжести начинает ползти. Если в береговой зоне расположены подземные источники (колодцы, скважины, галереи, дренажи), то в период гидрогеологической активности поверхностных и подземных вод (снеготаяние, наводнения, приливы-отливы, шторма, цунами) частицы осадочного слоя могут проникать в коллекторно-фильтровую часть эксплуатационного пласта и создавать генезис кольматации в системе пласт-скважина.

Источники информации:

1. Fowler C.M.R. The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics. Cambridge: Cambridge University Press, 2005. 685p. 

2. Миронов В.С. Курс гравиразведки. Л.: Недра, 1980. 543 с.        

3. Цымбалов А.А. Формирование закольматированных зон в околоскважинной водонасыщенной среде [Электронный ресурс] // Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: сб. науч. тр. СО РАН, ИПРЭК СО РАН, ИНГГ СО РАН по материалам III всерос. науч. конф. с межд. уч.(г.Чита, 20-25 августа 2018г.). Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2018.С. 198-200. 

4. Цымбалов А.А. Особенности кольматационного осадкообразования в околоскважинной водонасыщенной среде /А.А.Цымбалов // Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: сб. науч. тр. СО РАН, , ГИН СО РАН, ИПРЭК СО РАН, ИНГГ СО РАН по материалам IV всерос. науч. конф.(г. Улан-Удэ, 17-20 августа 2020г.). Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2020.С.278-281. 

5. Цымбалов А.А. Типизация контактных связей структурных элементов кольматанта системы пласт-скважина/А.А.Цымбалов: материалы 64-й межд. науч. конф. Астрахан. гос. техн. ун-та (г.Астрахань, 20-25 апреля 2020г.). Секция «Математика, физика, механика» [Электронный ресурс]. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2020. С. 191.Режим доступа: 1 электрон. опт. диск (CD-ROM), https://elibrary.ru/item.asp?id=43845501

Информация подготовлена канд.техн.наук А.А.Цымбаловым (20.01.2021г.)