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

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.

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

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).

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.

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.

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

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.

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-

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

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-

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

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.

VAIу

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

В

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