Анотація до роботи:

Тугай А.М. Наукове обґрунтування продуктивності водозабірних свердловин систем водопостачання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – Водопостачання, каналізація. – Український державний університет водного господарства та природокористування Рівне 2002.

Дисертація присвячена науковому обґрунтуванню і розробці більш надійних і досконалих математичних моделей і методів розрахунку технологічних параметрів підземних водозаборів (свердловин і трубчатих колодязів), що працюють в складних гідрогеологічних обставинах і в умовах деформацій пористого середовища в присвердловинній зоні у вигляді механічного і хімічного кольматажу, а також розрахунків відновлення їх продуктивності шляхом хімічної регенерації різними способами.

Одержані нові більш точні загальні рішення задач просторової напірної і безнапірної фільтрації, які дозволяють визначити загальну витрату свердловин, ділянки височування і нависання потоку, фільтраційні опори, що обумовлені недосконалістю свердловин, а також побудувати вільну поверхню безнапірного потоку. Розроблені і реалізовані загальні математичні моделі механічного і хімічного кольматажу сполуками заліза, які складаються з моделей фільтрації із врахуванням зміни коефіцієнту фільтрації (пористості) і моделей динаміки фільтраційних деформацій за рахунок кольматажу. На основі цих моделей складена інженерна методика розрахунку основних технологічних параметрів свердловин. Методи розрахунку хімічної регенерації побудовані на основі складених і реалізованих математичних моделей для технологічних схем обробки кольматажу розчиненим реагентом відомими способами реагентної ванни і циклічним в умовах зворотно-поступального руху підземних вод в присвердловинній зоні.

Наведена дослідно-виробнича апробація методики розрахунку механічного і хімічного кольматажу фільтрів свердловин з використанням дослідних даних. Приводяться рекомендації з вибору ефективних хімічних реагентів і методів очищення фільтрів і прифільтрового простору від механічного і хімічного кольматажу з метою відновлення продуктивності водозабірних свердловин.

1. Вирішена важлива народногосподарська проблема підвищення ефективності і надійності роботи водозабірних свердловин систем водопоста-чання.

2. Проведено аналіз існуючих теоретичних рішень і методів розрахунку задач фільтрації до досконалих і недосконалих свердловин, які працюють в складних гідрогеологічних умовах їх експлуатації. На підставі цього аналізу уточнені та доповнені теоретичні і фізичні передумови і положення, врахування яких дозволило побудувати більш точні математичні моделі просторової напірної і безнапірної фільтрації до свердловин і на їх основі розробити достовірні і надійні методи розрахунку технологічних параметрів свердловин.

3. Одержані нові, більш точні загальні гідродинамічні рішення задач просторової напірної і безнапірної фільтрації до досконалих і недосконалих свердловин, які дозволяють визначити загальну витрату свердловин і ділянки височування і нависання потоку в умовах відповідно незатопленого і затопленого фільтрів, а також побудувати вільну поверхню безнапірного потоку в області фільтрації. Для зручності користування одержаними рішеннями і залежностями розроблені чисельні алгоритми і програми, а функції, які входять в розрахункові залежності протабульовані, запропоновані необхідні графіки і таблиці.

4. На підставі отриманих результатів одержані більш точні залежності для визначення фільтраційних опорів, які обумовлені гідродинамічною недосконалістю свердловин. Це дозволить використовувати при фільтраційних розрахунках свердловин відомий метод фільтраційних опорів, що дозволяє проводити розрахунки для різних схем планового потоку ґрунтових вод, розміщення окремих свердловин і їх систем на водозабірній території.

5. Виконано порівняльний аналіз, який показав, що існуючі методи розрахунку, які основані на осередненні напору по висоті фільтра, в порівнянні з рекомендованими більш точними методами, дають завищені значення витрати в середньому на 15...20% і це розходження збільшується із зменшенням довжини фільтра.

6. Розроблена загальна математична модель формування деформаційних процесів при фільтрації підземних вод в присвердловинній зоні, яка складається з моделі фільтрації в цій зоні з врахуванням зміни коефіцієнта фільтрації (пористості) і моделі динаміки фільтраційних деформацій за рахунок механічного кольматажу. Модель описує механізм утворення і накопичення осаду в фільтрі і на ділянках прифільтрової зони в умовах і на протязі виділених трьох стадій проходження процесу.

7. Для кожної стадії і ділянки утворення осаду одержано рішення задач плоскорадіальної фільтрації при змінному коефіцієнті фільтрації. Побудовані залежності для визначення напорів (зниження рівнів) і додаткових фільтраційних опорів, обумовлених механічним кольматажем. Проведена оцінка значень напорів, визначених по складній (точній) і рекомендованих для розрахунку наближених формулах.

8. Вивчені процеси і механізми взаємодії між рідиною і твердою фазами при хімічній кольматації фільтра сполуками заліза, що дозволило сформулювати основні положення і фізико-хімічні передумови для обґрунтування математичної моделі, яка складається з двох взаємозв’язаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки кольматації фільтра сполуками заліза.

9. Розроблена методика розрахунку концентрацій заліза в розчині C_i(r,t) і осаду s_i(r,t), а на підставі реалізації гідродинамічного блоку моделі з врахуванням результатів попередніх досліджень одержані залежності по визначенню коефіцієнта фільтрації кольматуючого з часом фільтра і внаслідок цього зниження рівня води в свердловині, а також величину додаткового гідравлічного опору, обумовленого хімічним кольматажем фільтра. В запропонованих методах розрахунку враховані особливості кольматації свердловин сполуками заліза при інтенсивній і повільній динаміці накопичення осаду в фільтрі.

10. Для відновлення продуктивності закольматованих, переважно сполуками заліза, свердловин шляхом проведення їх регенерації аналізується дія різних типів хімічних реагентів, їх оптимальні концентрації і умови застосування. При цьому на основі теоретичних і експериментальних досліджень встановлена висока ступінь розчинності складних багатокомпонентних кольматантів (в першу чергу сполук заліза) запропонованим новим реагентом, який складається з фосфорорганічних комплексонів нітрилотриметилфосфонової (НТФ) і оксіетилідендифосфонової (ОЕДФ) кислот. Комплексони селективно діють на катіони металів, що входять до складу кольматанту, не викликаючи при цьому корозійного руйнування металевих елементів свердловин і не потребують, на відміну від інших реагентів, (для прискорення реакції) додаткового підвищення температури.

11. Для поширених на практиці технологічних схем обробки кольматанту розчиненим реагентом способом реагентної ванни і циклічним в умовах зворотно-поступального руху підземних вод побудовані математичні моделі з врахуванням різних лінійних і нелінійних кінетик масообміну (розчинення) між сполуками реагенту і кольматанту. На основі цих моделей розроблені інженерні методи розрахунку. Приведені рекомендації по технічній реалізації рекомендованих технологічних схем обробки, необхідна вихідна інформація для проведення розрахунків, їх апробація на основі існуючих дослідних даних.

12. На базі розроблених математичних моделей створено більш досконалі інженерні методи розрахунку параметрів механічного і хімічного кольматажу в часі і в об’ємі фільтра та прифільтрової зони свердловини, додаткових фільтраційних опорів і втрат напору із врахуванням особливостей формування і накопичення кольматуючого осаду, а також на надійній науковій основі проводити регенерацію по відновленню продуктивності свердловин. Це дозволяє більш досконало проектувати розміри фільтрів, визначати в часі технологічні режими роботи водозабірних свердловин, прогнозувати зниження їх продуктивності внаслідок процесів механічного і хімічного кольматажу, визначати терміни проведення і ефективність регенерації фільтрів свердловин, обсяг і проведення міжремонтних відновлювальних робіт. Про це свідчить проведена апробація запропонованих методів розрахунку з залученням існуючих і одержаних експериментальних досліджень. Результати теоретичних розробок добре узгоджуються з дослідними даними.

13. Результати досліджень впроваджені в Управлінні експлуатації артезіанських свердловин ВАТ АК “Київводоканал”, на підприємстві “Луцькводоканал”, на ДКП “Вишнівськводоканал”. Ефективність впроваджених розробок на трьох різних за виробничою потужністю водопровідних господарствах України оцінюється збільшенням подачі води відновленими свердловинами в розмірі 3,9 млн. м³ в розрахунку на рік.

Результати досліджень використовуються науково-дослідним і проектним інститутом ВАТ “Укрводпроект” Держводгоспу України при проектуванні свердловин.