Моделирование миграции подземных вод

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Для получения достоверных данных очень важны правильное обо­рудование наблюдательных скважин, из которых отбирают пробы., и выбор используемой при этом аппаратуры.

Наблюдательные скважины. Оптимальный диаметр бурения наблюдательных скважин (НС) составляет 102—152 мм с трубой диаметром 38—51 мм. При больших диаметрах неоправданно по­вышается стоимость НС и увеличивается их гидрохимическая инер­ционность [24]. Длину фильтровых зон обычно следует ограничи­вать размером 0,5—2 м, следует обратить особое внимание на изо­ляцию этих зон, что нередко является сложной технической проб­лемой. Использование фильтра большей длины возможно только

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 47. Многоинтервальные наблюдательные скважины:

Й —установка измерительных труб; б —скважина одноразового опробования £75]. / —кол­пачки; 2 — бетонный нлн глинистый замок; 3 — полихлорвнииловые трубки; 4 — песчаная обсыпка; 5 — бетонный тампон; 6 — фильтр; 7 — обсадная труба; 8 — разделяющие слон; 9 — стенка скважины; 10 — нулевая перфорация; 11— опробуемый слой; 12 — бетой

В тех случаях, когда доказано отсутствие вертикальных перетоков в скважине, поскольку их наличие может приводить к нежелатель­ным перемешиваниям воды по стволу скважины.

Материал труб скважины не должен способствовать развитию обменных процессов (адсорбции, химического или биологического катализа), приводящих к заметному изменению состава воды. С этой точки зрения следует с осторожностью относиться к при­менению стальных труб, отдавая предпочтение трубам из синте­тических материалов (например, в США рекомендуются трубы из тефлона). Однако в каждом случае выбор материала труб должен обосновываться по данным натурных опробований.

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Для отбора проб и замеров на разных уровнях одного водонос­ного пласта закладываются многоэтажные скважины, в которых

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 48. Двойной пакер для труб диаметром 51 мм (а), а также комбинации двойного пакера с инжекторным (б) и эжекторным (в) насосами. / —резиновая оболочка; 2 — Напорная камера; 3 — труба для отбора проб; 4 — напорный соединительный шланг; 5 — двойной шланг; 6 — всасывающая головка; 7 — компрессор; в —напорный шланг; 9 — подъемный шланг; 10 — глинистый или цементный замок; 11 — эжекторный иасос; 12 — двойной пакер

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 49. Специальный пакер.

А — самопакирующий сборник, надуваемый всасывающим потоком насоса; б — миогоспециа - лнзнрованный сборник, протягивающийся через фильтр, t — сборник проб; 2 — резиновый пакер; 3 — элемент для отбора с входными отверстиями; 4 — насос; 5 — фильтр; 6 — несу­щая штанга; 7 — элемент для отбора пробы; 5 —напорная камера; 9 — напорная труба; 10 — эластичный шланг; 11 — трубка для Отбора; 12 — опорная шайба; 13 — отверстие для отбора

Фильтры и измерительные трубы расположены на различных уров­нях (рис. 47). При устройстве таких скважин следует обращать особое внимание на надежность изоляции соседних фильтров.

Для глубоких скважин при единовременных отборах проб на различных уровнях можно проводить последовательное прострели - вание интервалов снизу вверх, заполняя скважину ниже опробуе­мого интервала уплотняющим материалом (например, бетоном).

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

А 6

При многократных отборах проб в разных интервалах скважин применяются различные пакеры, которые изолируют опробуемый интервал манжетой (как правило, резиновой), разжимаемой дав­лением воздуха или воды. Наиболее удобен двойной пакер, при­мер которого для двухдюймовой трубы с изменяющимся интерва­лом отбора іД/п показан на рис. 48, а. Примерные схемы двойных

Рис. 50. Установка минифильтров (а) и их типы (б, в).

1 — защитная труба; 2 — адаптер; 3 — подающие гибкие трубки; 4 — бетон; 5 — минифиль - тры; б —песок; 7— несущая колонна; 8— фильтровая обсыпка; 9 — гибкие трубки; 10— стеклянный войлок; 11 — стекловолокиистая ткань; 12 — фильтрующие пластины

Пакеров, снабженных водяными или воздушными насосами для их автоматического разжатия, приведены на рис. 48, б, е.

Заметное уменьшение возможности обтекания пакера дает при­менение четырехсекционного пакера, который изолирует три интер­вала, причем отбор производится только из среднего. Для такой же цели используется показанный на рис. 49, а специальный пакер, который снабжен насосом, формирующим зоны активного притока выше и ниже пакера, в то время как проба отбирается из сравни­тельно застойной зоны в интервале пакера. На рис. 49, б приведена схема пакера с многоинтервальным отбором проб, предназначен­ного для отбора проб из глубоких скважин.

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Для «точечного» отбора небольших проб используются так на­зываемые минифильтры, различные варианты которых показаны на рис. 50. Несущую трубу с такими минифильтрами предпочти­тельно устанавливать в скважину, пройденную с помощью удар­ного бурения. ГІри небольшом диаметре скважины можно опускать несущую трубу непосредственно в нее. Вокруг минифильтров сле­дует укладывать фильтровую обсыпку и цементировать области между ними (см. рис. 50). Для гарантированной работы мини­фильтров целесообразно устанавливать их в двойную трубу, при - 190

Рис. 51. Установка минифильтра в двой­ной трубе.

Рис. 52. Миннфильтр с отжатием об­разца — типичные конструктивные реше­ния с контактом (а) н без контакта (б) вода—воздух.

J — напорная трубка; 2 —подъемная трубка; 3 — обратный вентиль; 4 — стекловата; 5 — фильтровая ткань; 6 — резиновая мембрана; 7 — фильтровая пластина; vw н vL — ско­рость движения воды и воздуха соответствен­но

3 £

1 — крышка; 2 — адаптер; 3 — защитная тру - <ба; 4 — несущая труба; 5 — фильтровая тру - .ба; 6 — минифнльтр; 7 — цементный или гли­нистый замок; 8 — песчаный фильтр; 9 — бу­ровая скважина диаметром 152—203 мм; 10 — пространство для промывки и цементирую­щей трубы; 11 — пенопласт

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 53. Типовые конструкции тензиометров:

1 — полихлорвиииловая трубка; 2 — керамический корпус; 2 — стенка скважины; 4 — поли­хлорвинил; 5 — керамическая пластинка; — измеряемая высота всасывания

Чем вторая труба служит для расширения фильтровой области ми - нифильтра (для уменьшения вертикальных перетоков она запол­няется тонким песком); пример такого решения приведен на рис. 51.

Наиболее простым способом отбора проб из минифильтров яв­ляется отсасывание их с поверхности вакуумным насосом. Однако оно ограничено высотой подъема (примерно 5 м) и приводит к изменению газового состава. Для исключения этих недостатков применяются отжимающие устройства, схемы которых показаны на рис. 52.

В качестве рабочего флюида используется воздух или азот, причем для исключения их контакта с отбираемой жидкостью устанавливается эластичная диафрагма (см. рис. 52,6). Эффек­тивность такого отбора повышается при устройстве обратного кла­пана, который надо только предохранять от попадания песчаных частиц.

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Для отбора проб воды из зоны аэрации служат тензиометры (рис. 53), приемная часть которых выполнена из сепарирующей мембраны, пропускающей воду и задерживающей воздух. Такие мембраны делают обычно из керамики, стекла, порошковых метал­лов; в зависимости от дисперсности материала о:ш характеризу-

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Ются предельным порогом капиллярного давления Дрв и про­пускной способностью по отношению к воде и различным ми­грантам.

Такие характеристики для каждого фильтра должны опреде­ляться лабораторными тестами. На рис. 54 показаны некоторые результаты теста по прохождению различных катионов через ке­рамический фильтр, которые проводились для катионов К+ (верх­няя кривая), Na+, Mg2+, Са2+ при всасывающем давлении Ар~ =—0,5-Ю5 Па, а для катиона К+ (нижняя кривая) при Ар = = —0,2-Ю5 Па с концентрацией стах = 10—13 мг/л, причем мем­брана обладала порогом капиллярного давления Др„ = — Ю5 Па; эти результаты свидетельствуют о существенном влиянии фильт­ра на состав отбираемых проб.

При установке теизиометра следует очень внимательно отно­ситься к обеспечению койтакта мембраны с породой, поскольку его нарушения являются причиной ухудшения качества полевых из­мерений.

Насосные устройства для отбора проб подземной воды. Для получения представительных данных по составу подземных вод важно правильно решить проблему отбора проб воды с гарантией сохранения ее естественного состояния при минимальных затра­тах.

Ниже приведен обзор насосных устройств, используемых для решения этой проблемы.

Рис. 55. Схемы внешнего отбора проб из пьезометров и тензиометров:

А —забивной зонд; б — пьезометрическая скважнна; в — тензиометр с ручным насо­сом; г — отбор всасывающей колбой; д — отбор пневматическим всасывающим насо­сом с сосудом для пробы; е — отбор при изменении границы раздела газа и воды. J — подъемная трубка; 2 — забивиая труба; 3 — вентиль; 4 — фильтр; 5 — иакоиеч - ийк; 6 — цементное уплотнение; 7 — труба диаметром 39—51 мм; 8 — ручной вакуум­ный иасос; 9 — фнльтр из пористой керамики днйметром 14—19 мм; 10 — выточеииая колба; —вентиль двойного или тройного хода; 12 — труба пьезометра; 13 — вса - сьівающаія трубка; 14 — запорные краны; 15 — всасывающий насос

7///Г//.

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

4+3

Рис. 56. Графики (а) изменения содержания (в мг/л) 02 (сплошные линии) и Fe2+ (пунктирные линии) при отборе проб по схеме (б) из открытой трубы (1) и на­сосом во всасывающей (2) и напорной (3) линиях.

O. f~ о"

■ - о-- •'.

■о':}:'9

L'O-' • :о'

.•о.

О. . .о •.

.•о

Пример типичного внешнего (расположенного на поверхности земли) устройства для отбора проб воды приведен на рис. 55.

Получение проб отсасыванием воды может производиться при высоте всасывания не больше 7 м. При всасывании в воде создает­ся разрежение, что может привести к нарушению содержания рас­творенных газов, поэтому репрезентантность получаемых таким образом проб для 02, СО.2 и легко окисляющихся составляющих Fe2+, NH4+, N02~ или летучих углеводородов будет не слишком высокой. Пробы должны отбираться перед насосом (во всасываю­щей линии), чтобы избежать изменения состава воды в насосе, вызываемого турбулентностью и электромагнитным полем (рис. 56). Рекомендуется проверять возможность, нарушений со­става при таком отборе на тестовых опробованиях с модельными растворами. К меньшим погрешностям ведет выдавливание проб, особенно при использовании для этого инертного газа, например азота.

Широкое распространение находят инжекционные насосы (рис. 57), которые могут подавать воду на высоту до 30 м и дают расход 1—5 л/мин при диаметре скважины 51 мм и подаче воды 5—10 л/мин.

Однако они могут применяться только в тех случаях, ког­да не предъявляется слишком высоких требований к качеству пробы, поскольку при прохождении через диффузор и подающие трубы вода может изменять свои свойства.

Для получения сравнительно небольших проб применяют про­боотборники (рис. 58). При диаметре скважины не меньшем 51 мм обычно применяются пробоотборники диаметром 4 см, длиной при-

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

JPuc. 57. Инжекционный насос (по К. Ницше и В. Критцнеру).

,а — общая схема установки; б — инжектор. 1 — колба для пробы; 2 — разделительная го­ловка; 3 — насос; 4 — двойной шланг; 5 — диффузор; 6 — сопло

Мерно 1 м с объемом пробы около 1 л. Такие пробоотборники де­лают из различных материалов, они хорошо приспосабливаются к отбору проб в фиксированных зонах (что важно, например, при наличии нефтепродуктов) с больших глубин (до 1000 м) и не требует каких-либо источников энергии. К недостаткам таких про­боотборников следует отнести то, что они берут застойную воду и производят перемешивание воды в стволе скважины, кроме того, при выливании пробы в нее может поступать воздух.

Для отбора проб из определенных зон используются различные внутренние насосы. Типичными внутренними насосами являются эрлифты (рис. 59), в которых воздух подается через опущенный в скважину шланг, а подъем водовоздушной смеси осуществляется непосредственно по скважинной (при диаметре 25—101 мм) или специальной подъемной трубе. Весьма удобно для эрлифта ис­пользование двойного шланга, в котором внутренний шланг рас­полагается в пожарном шланге. Из-за аэрации воды использова - 496

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 55. Схема действия и примеры устройств для отбора проб из сква­жины.

А, б — работа пробоотборника под водой и иа ее поверхности; в — пробоотборник для трубы диаметром 51 мм; г — пробо­отборник со шлангом. / — падающий груз; 2 — стеклянный цилиндр; 3 — кран для вы­пуска воды; 4 — выходной вентиль; 5 — вентиль к насосу; 6 эластичный шланг; 7 — воздухонапорная камера; S — обратный клапаи

Ние эрлифта для отбора проб ограничено отбором трудноокисляе - мых компонентов, таких как хлориды и сульфаты.

Для откачек из скважин диаметром более 102 мм широко при­меняются погружные центробежные насосы; существуют конструк­ции таких насосов для меньших диаметров скважин (например, в ГДР есть насос Ну 50-30 с внешним диаметром 50 мм и произво­дительностью 0,5—1 м/мин). Для отбора проб такие насосы мало­приемлемы.

Погружной мембранный насос, различные схемы которого по­казаны на рис. 60, обычно используется при диаметре скважины 33—51 мм и имеет производительность 1—10 л/мин при высоте подъема 20—100 м. Такие насосы успешно применяются для от­качек в сочетании с двойными тампонами и являются почти иде­альными для отбора проб, поскольку создают минимальную тур­булентность и не имеют областей вакуума, так что надо лишь про­верить влияние на состав воды материала насоса, особенно мем­браны.

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

У/ І і^л

VAIу

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 59. Примеры устройства эрлифтов (эжекторных насосов) [78]. / — перфорация; 2— сопло; 3 — свертывающийся шланг; 4 — переход к пакеру; 5 — труба скважины; 6 — наконечник с отверстиями для выхода воздуха; 7— керамический фильтр

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

В

Оборудование скважин и приборы для отбора проб

Рис. 60. Примеры погружных мембранных насосов:

А — насос с наземным управлением подачи и отдачи воздуха; б — насос Рнха; е — насос Урбана — Шлеттера 1781. / — мембрана; 2 — резиновая пластина

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ (МОЛЯРНАЯ СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛЯРНЫЕ ЭНТАЛЬПИИ ОБРАЗОВАНИЯ Д А0 (р=105 Па, Т=298,15 К) НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ

Формула вещества

Состояние

КДж/моль

А А0, кДж/моль

Формула вещества

Состояние

(1 *-*Ag0, кДж/моль

Ah\ кДж/моль

Са

К

0

0

MgS04

В

—1198,8

Са2+

В

—553,4

—543,3

Мп

К

0

0

CaF2

К

—1162,7

—1215,4

Мп2+

В

—227,8

—219,0

CaS04

К

—1321,2

— 1433,6

Na

К

0

0

CaS04

В

—1295,9

Na+

В

—262,0

—239,8

СаСОз

К

—1129,5

-1207,9

NaCl

В

—393,3

Са(НСОз)

В

—1728,3

О2

К

0

0

Cl2

Г

0

0

Он-

В

—157,4

—230,1

С1-

В

-131,3

—167,6

Н20

Г

—228,7

—242,0

Fe

К

0

0

Н20

Ж

—237,3

—286,0

Ре2+

В

—85,0

—87,9

Н2о2

В

—131,8

___

Fe3+

В

—10,6

—47,7

S

К

0

0

Fe304

К

—1014,9

— 1117,9

So2

Г

—300,4

—297,1

Fe(OH)2

К

—48-3,9

—568,6

So3

Г

—370,5

—395,4

FeS2

К

—150,7

—178,0

S032-

В

—486,1

—624,7

FeC03

К

—674,3

—74-8,2

So42-

В

—742,5

—908,1

Fe(OH)3

К

-695,0

H2S

Г

—33,1

—20,2

F -

Г

—276,7

—329,3

H2S

В

—27,4

K

К

0

0

HS04

В

—753,4

—886,3

K+

В

—282,4

—251,4

H2so4

В

—742,5

___

KOH

В

—439,9

N2

Г

0

0

KAlSi3Os

К

—3583,9

NO

Г

86,7

90,4

C02

Г

—394,6

—393,4

No2-

В

—34,5

___

Co2

В

—386,5

N03-

В

—110,7

—206,7

НСОз-

В

—587,4

—691.6

NH3

Г

—16,6

—46,2

СОз2-

В

—528,5

NH3

В

—26,6

Н2СОз=

Nh4+

В

—79,5

—132,9

=сог-н2о

В

—623,8

,—

Nh2

Г

0

0

Mg

К

0

0

NH+

В

0

0

Mg2+

В

—456,3

—462,3

Примечание. К, В, Ж. Г — кристаллическое, в водном растворе, жидкое и га­зообразное состояния вещества, соответственно.

Моделирование миграции подземных вод

Миграционная модель обезжелезивания в подземных водах

В качестве примера приведем построение системы уравнений, со - ставляющих теоретическую модель процессов обезжелезивания подземных вод[10]. Эта задача актуальна в связи с широким распро­странением подземных вод, в которых содержание железа …

Моделирование миграции подземных вод

Лукнер Л., Шестаков В. М. Для обозначения процессов перемещения химических элемен­тов в земной коре, ведущего к изменению их содержания (рассея­нию или концентрации), А. Е. Ферсман ввел понятие «геохимиче­ская миграция». Значительная …

Опыты на крупных фильтрующих монолитах

Опыты по фильтрации трассера в крупных монолитах проводятся для изучения миграционного процесса с учетом гетерогенного стро­ения породы. Для интерпретации данных такого опыта использу­ются модели гетерогенно-блокового строения. Таблица 12 Рассчитанные по …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.