Способ образования противофильтрационной пневмогидрозавесы в грунте Советский патент 1984 года по МПК E02D19/10 

Изобретение относится к охране подземных вод от загрлзнения, преи щественно при разработке,месторождений полезных ископаемых подземны выщелачиванием, и может быть испол зовано для защиты подземных вод от загрязнения сточными водами неэкранированных хвостохранилищ, гидрортв лов, накопительных прудов, а также для предотвращения истощения водоносных горизонтов при их осушении. Известен способ охраны подземных вод, включающий бурение скважин и закачку в них нейтральной жидкое- . ти Cl 3. Недостатками способа являются трудоемкость и большой расход воды Кроме того, гидрозавеса не гаранти рует полной изоляции от водопритока, для уменьшения которого гидрозавесы сочетают с пневмокольматаже области фильтрации. Наиболее близким к предлагаемом является способ образования противо4 1льтрационной пневмогидрозавесы в грунте, включаюа(ий бурение скважин, оборудование их и нагнетание через них содержащей растворенный газ жидкости. Пневмокольматаж области 4 льтрации осуществляют подачей воздуха через скважины в количестве, соответствующем пределу насьш ения воды растворенным в ней вoздyxp 4 при давлении нагнетания. Цпя обеспечения продвижения воды в пласт давление нагнетания должно быть не меньше давления воды в сква жине и опасте. Фильтрация воды, насьвценной воздухом при максимальном давлении, в зоны с меньшим гидродинамическим давлением вызывает вьщеление избыточного газа и последовательный Пневмокольматаж зон, начиная от прискважинной 12. Однако такая последовательность кольматажа, снижающая водопроницаеЗость сначала прискважинной зоны, создает дополнительное сопротивление движению газонасыщённой воды к периферии, замедляет формирование пневмогндрозавесы во всей области фильтращш, повышая затраты на ее создание и увеличивая продолжительность работы. Цель изобретения - сокращение затрат и продолжительности работ. Поставленная цель достигается тем, что сргласно способу, включающему бурение скважин, оборудование 712 их и нагнетание через них содержащей растворенный газ жидкости, в период нагнетания жидкости осуществ- ляют введением в нее газа с содержанием последнего, соответствующим насыщению при давлении, равном давлению подземных твод 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 пневмогидрозавесы в периферийной зоне); на фиг. .4 - завершающая фаза формирования пневмогидрозавесы в периферийной зоне} на фиг. 5 - фаза формирования пневмогидрозавссы в прискважинной зоне; 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 противофильтрационной пневмогидрозавесы в грунте осуществляют следующим образом. По трассе сооружаемой противофильтрационной завесы бурят скваямны 1, пересекающие водоносный слой: 2, с расстоянием 2б между ними (фиг. и 2). Скважины 1 оборудуют при необходимости фильтрами, герметизируют их устья и соединяют трубопроводом 3 с насосом 4, а трубопровод соединяют через ребивер 5 с компрессором 6. Посредством насоса 4 и компрессоа 6 в скважины 1 нагнетают жидкость газ, причем газ в процессе двиения вместе с жидкостью растворяетя в ней. В начальный период нагнеания в жидкость вводят газ с содеранием, соответствующим насыщению астворенного в жидкости газа при авлении, равном давлению подземных од на границе с радиусом, равным .3 половине расстояния между скважинами К 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 газ, а затем воздух. Формирование пневмогидрозавесы осуществляют поэтапно: вначале производят пневмокольматаж зоны, удаленной от скважины на расстояние R d (где d - половина расстояния между скважинами), а затем последовательно кольматируют зоны, менее удаленные от нее. Причем вокруг скважины на расстоянииj равном деся ти ее радиусам, оставляется незакол матированная зона. Размеры этой зоны устанавливаются на основании ана лиза 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 существен но, 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 сократит 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 насьщ1ения 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 больщих расходов газа целесообразно использовать более дешевый воздух. Пример 1. Источником загрязнения подземных вод является хво тохранилище 7 (фиг. 1), расположенное в балке глубиной Н, вскрывающей напорный водоносный горизонт 2 мощностью m . Глубина наполнения хвостохранилища h . Водоносный горизонт, приуроченный к пескам, имеет коэффициент фильтрации К, высоту напора и соответствующее гидростатическое, давление , равное 10 м водяного столба. Со стороны левого борта хвостохранилища протекает река 8 на расстоянии U от него, которая вскрывает и дренирует горизонт. Дпя предотвращения загрязнения подземных вод и реки вдоль борта хвостохранилища на расстоянии R от него сооружают ряд скважин 1 радиусом г с расстоянием 2 t 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 - т, объем поглощаемой каждой скважиной воды О, составит: где R - расстояние от скважины до (э - половина расстояния мелщу геометрическими осями .скважин. При К 10 м/сут, m 10 м, . S 50 м, 6 60 м, Гс 0,2 м, Ц 800 м, R 200 м, R2 600 м ft :c з7 4-2оо-Тоо Pn 4. 3. 2331 Формирование пневмогидрозавесы осуществляют в три этапа: на первом производят пневмокольматаж пласта вне зоны расположения скважин на расстоянии R 60 м, на втором пневмокольма.таж зоны 30 м, на третьем - зоны 2 м R 30 м. Третий этап продолжается в течение всего периода функционирования завесы. Величину давления на границе вы-г деленных зон определяют по известным зависимостям динамики подземных вод. На границе периферийной и прискважинной зон, находящейся на расстояНИИ R 60 м от оси скважин, пьезометрический напор можно рассч тать по зависимости О $- So( 1-0,22 где Н(, - пьезометрический напор в расчетной, точке, Hg - пьезотермический напор в скважине, 80 - повышение напора в скважи при нагнетании; RQ J, - расчетный радиус L. - расчетный коэффициент. .26 А -(+-Д-Л где А - коэффициентi определяемый графику. , L1:1о з400 )0,8 2 HO 60-50(1-0,22 Это соответствует напору, с уче том которого рассчитывается содерж ние воздуха в нагнетаемой воде. На границе присквахюнной зоны и зоны А 30 м пьезометричесрадиусом иапор определяют с использованием зависимости Дюпюи g Сп 0 21ГТ где S - повышение напора в рас четной точке О, - дебит скважины, Т « km - проводимость, R- - расстояние до расчетно точки. СП --j. т« 30 3, 0,2 - 30 м. Это соответствует напору над п дошвой пласта 40 м, из которого р считывают содержание воздуха в на Ьетаемой воде на стадии пневмокол матажа зоны с радиусом j й На границе незакольматированнойз пласта радиусом I.Of и закольмати ванной зоны пьезометрический напо рассчитывают по зависимости (3) п 2 м и м. S 50 - - 331- тп -2 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 формирова-ния пневмогидрозавесы. Для создания пневмогидрозавесы в скважины 1 нагнетают газонасьдценную жидкость 9 - воду, насыщенную воздухом, например, путем его диспергирования в трубопроводе 3 под давлением, соответствукицим напору водяного столба в 60 м над Ьодошвой 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 т ольматажа - 0,OiB4 м в 1 м воды, что равно пределу насьш(ения при минимальном гидродинамическом давлении Р (фиг. 7)в водоносном горизонте, соответствующем напору h-m 20 м BOjoiHHoro столба посредине между скважинами (R (э ). При этом происходит пневмокольматаж периферийной зоны с R 60 м, а прискважинная зона с R 60 м сохраняет прежнюю проницаемость. После достижения установившегося движения газонасыщенной жидкости в пласте (фаза на фиг. 4) увеличивают содержание в ней воздуха до g 0,112 м в 1 м воды, что равно пределу насыщения газом при давлении в пласте на расстоянии R 6/2 от оси скважины, соответствующем напору водяного столба в 40 м над подошвой пласта (фаза На фиг. 5). Период нагнетания равен времени подхбда фронта газонасыщенной жидкости к расчетной точке и определяется опытным путем, например с помощью наблюдательных скважин. На последнем этдпе (фаза на фиг. 6) содержание воздуха увеличивают до gg 0,154 м в 1 м, рав равном пределу насыщения при соответствующем напору 55 м водяного столба в пласте на расстоянии R lOr 2 м от оси скважины. В дальнейшем содержание возду7ха ga поддерживают весь период рабо ты завесы. В результате такого последовательного увеличения содержания воздуха в нагнетаемой воде в соответствии с ростом гидродинамич кого давления в пласте от перифери к скважине пневмокольматаж начинается также в периферийной зоне и з канчивается около скважины при . При этом присквазшнная зона с радиусом R i 2 м остается не закольматированной, т.е. с прежним коэффициентом фильтрации К 10 м/сут. Коэффициент фильтрации К пласта за пределами этой зоны посл создания пневмогидрозавесы уменьша ется в среднем в 5 раз, т.е. 10:5 2 м/сут. Для определения объема воды, по лощаемой каждой скважиной после ко матажа, вычисляют эквивалентный радиус скважины г,, учитывающий пр скважинную зону радиусом м и сохраненным коэффициентом фильтрации.К En|- Cn + |f . (5 с i О где R - радиус влияния скважины (К S 60 м), J, К епг спр-еп-;г--1г- - с ч о (г„й.е„.е„Д) .- (lnbO-b|;-0,) ,75/«. Объем воды, поглощаемой каждой скважиной, согласно (1) составит О 2±Ы 60 3,14-1,75 556 м /сут, что в 4 раза меньше, чем до пневмокольматажа (GI : G(Q 2331:556 Пример 2. На начальном этапе пневмокольмагажа в скважины нагнетают воду, насыщенную углекислым газом, при давлении Р, соответствующем напору водяного стол ба в 60 м. Содержание.углекислого газа в 1 м вод g -j 0,504 м, что равно пределу насыщения воды при гидродинамическом давлении PfT соответствующем напору h-m 20 м 8 водяного столба посредине между скважинами (R э ). При этом происходит кольматаж углекислым газом периферийной зоны с . На последующих этапах нагнетают воду, насьщенную 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 0,05% от веса закачивае- мой воды, что не превьшает 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 , а прискважинная зона с R сохраняет свою проницаемость. Поэтому дебит скважины а 8331 . Время кольматации периферийной зоны . , (6) где п - пористость пласта R - радиус периферийной зоны. При п 0,2 и R R, 200 м (расстояние от скважины до хвостохранилища) 3.14 -10-0.2-200 °-t -а2331- - Время кольматации 3.14-10-0.2-60 , t -i233Т Время кольйатации прискважинной зоны с радиусом .....3,14-10-0,2-30 „ t - - ----т-- 2 сут 2331 Общее время формирования пневмогидрозавесы составит 108 +10+2 120 сут. В таблице представлена характеристика параметров предлагаемого способа.

периферийной (фиг. 4)

200 R 7/ 60

0,2 (20,0) 0,084

108

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.

прискважинной (фиг. 5)

60 R / 30

прискважинной (завершающей, фиг. 6)

R, 2 Как видно из таблицы, формирование пневмогидрозавесы разделяется н три фазы. В первой фазе формируется периферийная зона пневмогидрозавесы на расстоянии от скважины 200 м Продолжительность фазы 108 сут, в т чение которых воздух добавляют в нагнетаемую воду в количестве 0,084 м на 1 м нагнетаемой воды, что соответствует, пределу насыщения воды при давлении на внутренней гра нице периферийной зоны 0,2 МПа (20 м вод. ст.). Во второй фазе формируется пневмогидрозавеса в прискважиннрй зоне на расстоянии 60 м R 30 м. Продолжительность фазы 10 сут, в течение которых воздух добавляют в количестве 0,012 м на 1 м нагнетаемой воды, что соответствует пределу насыщения им воды при давлении на внутренней границе прискважиннрй зо ны 0,4 МПа (40 м вод. ст.). В третьей фазе формируется пневмогидрозавеса в зоне на расстоянии 30 м/ R/2 м от оси скважины. Продолжительность фазы 2 сут, в течение которых в нагнетаемую воду подают воздух, в количестве 0,154 м на 1 м нагнетаемой воды, что соответствует пределу насыщения им воды при давлении на границе, удаленной

0,4 (40)

0,112

10,0

0,55 (55) 0,154

2,0 от 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 {J i (радиус закольматированной зоны): И соотношению коэффициентов до и после фильтрации 10/2 эквивалентный радиус.|пЖ| fcO 10 0,12 2 ,0000055м Тогда дебит скважины по формуле (1) составит 2-3 14 10-10-50 V 3 Т4 200бОО 3,14-5,5-10 1370 Время формирования завесы в пери ферийной зоне согласно формуле (6) , З.Н.10.Ю.2,200 ,3 сут. 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 ради са ее влияния и поэтому пропорциона лен коэффициенту Ц , определяемому равенством L ,. т.(7) ,73Рп с. где Гр - радиус скважины R - радиус влияния скважины, . 2(5 - расстояние между скважина ми. При условии равной эффективности завес в предлагаемом и известном способах должны соблюдаться равенс Ц- (индекс 1 отва S 1 -2 -i носится к предлагаемому способу, 2 - к известному). Тогда 26, 6. 26. 6 -g-0, . После завершения пневмокольмата жа в предлагаемом способе остается незакольматированной околоскважинная зона в с сохраненной проницаемостью, поэтому в расчет принимается эквивалентный радиус сква

J

f

фиг. 2 1,75 м. В прототипе жины г г же в результате кольматажа около скважины формируется практически однородная область с постоянной сниженной проницаемостью, поэтому В расчет принимается радиус скважины г г 0,2 м. С учетом этого равенство примет вид где и 35 м. Как ввдно из сравнения d 60 м и 2 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.

5 В

(риг.З А .;--Ч ° { . . 1 . I .,.. ..:.. V-(о).;:.-.(о):-;,..,/ . . . v.- ,Ч.Х. ., ; ..:-./. ...... .. Л , . . ч , .. . : I . : . ... Фаг.В ):-(°)v Л / сриг.5 , . . . ,

Р

ф1/г.7