Результаты применения соляно-кислотной обработки скважин для увеличения их производительности на этапе геологического изучения Царевского месторождения подземных вод в Республике Татарстан
- Гараева Т.В., Ракунов А.Б.
DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_103
УДК 556.3
В статье рассмотрены вопросы промышленного освоения водоносного пласта при сооружении скважин на этапе поисков и оценки участков (месторождений) питьевых и технических подземных вод для целей водоснабжения. Сооружение скважин по технологии, обеспечивающей максимальный дебит откачки, создание на участке планируемого водозабора фрагмента водозаборного ряда, моделирующего его промышленную эксплуатацию, дают возможность сократить время и расходы потенциального недропользователя на подготовку к промышленной разработке месторождения.
Ключевые слова: водозабор, подземные воды, производительность скважины, соляно-кислотная обработка, промышленная эксплуатация.
Требования к степени изученности разреза и фильтрационных характеристик продуктивного пласта на участке недр определяются стадией геологоразведочных работ. Так, на стадии геологического изучения участка будущего водозабора фильтрационные параметры обосновываются результатами кратковременных пробных откачек. Поисковые и оценочные скважины с высокой степенью достоверности позволяют изучить геологическое строение и литологический состав пород, слагающих разрез. В то же время степень гидрогеологической информативности таких скважин низкая, поскольку фильтрационные параметры по результатам одиночных откачек определяются весьма приблизительно. В связи с этим, на стадии геологического изучения участка (запасы кат. С1) недропользователь, как правило, экономит на бурении скважин эксплуатационных конструкций и на освоении водоносных горизонтов. В задачи геологического изучения не входит получение максимального дебита скважин и моделирование эксплуатации водозабора, это задача разведки и промышленного освоения месторождения. Рассчитанные по результатам кратковременных одиночных откачек прогнозные динамические уровни подземных вод значительно превышают фактические, поэтому при строительстве водозаборов возникает необходимость бурения большого количества скважин с низким дебитом на значительных по площади земельных участках, что приводит к снижению финансовой привлекательности использования подземных вод как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения.
На примере геологического изучения участка Царевский-2 Царевского месторождения подземных вод покажем, что освоение водоносного пласта с целью получения максимального дебита скважин — это не только важный этап при подготовке скважины к эксплуатации, но и тот комплекс работ, который необходимо выполнять на самой ранней стадии изучения — на стадии поисково-оценочных работ.
Царевское месторождение подземных вод располагается на водоразделе бассейнов двух крупных рек, впадающих в р. Волга (Куйбышевское водохранилище), — р. Меша и р. Казанка. Поток подземных вод, в пределах которого формируются запасы Царевского месторождения образуется на водораздельном пространстве междуречья Киндерки и Сумки (протока р. Мёша) (рис. 1). Целевым водоносным горизонтом является верхнеказанский водоносный комплекс, распространенный в пределах всего месторождения и представленный трещиноватыми мергелями, песчаниками, закарстованными известняками и доломитами общей мощностью до 60–70 м (рис. 1). В разрезе комплекса имеется 2–3 водообильных водоносных горизонта мощностью до 10,0 м, приуроченных к песчаникам, доломитам, мергелям и известнякам.
Рис. 1. Гидрогеологическая карта и разрез Царевского месторождения: 1 — кадастровая граница водозабора; 2 — граница проведения работ; 3 — скважина водозабора Царево-1, Царево-2; 4 — водозабор с лицензией; 5 — картировочная скважина; 6 — родник; 7 — линия гидрогеологического разреза; 8 — элювиально-делювиальные четвертичные отложения; 9 — верхнеуржумский водоносный комплекс; 10 — нижнеуржумский водоносный комплекс; 11 — верхнеказанский водоносный комплекс; 12 — нижнеказанский водоносный комплекс; 13 — уровень подземных вод верхнеказанского водоносного комплекса; 14 — скважина водозабора Царево-2; 15 — водозабор; 16 — картировочная скважина; 17 — картировочная скважина снесенная; 18 — суглинки; 19 — глины; 20 — алевролиты; 21 — песчаники; 22 — известняки; 23 — доломиты
Царевское месторождение питьевых подземных вод состоит из двух участков: Царевский-1 и Царевский-2 (рис. 1). На участке Царевский-1 имеется действующий водозабор, состоящий из 14 скважин с водоотбором из каждой 150–200 м3/сут, с суммарной производительностью 2000 м3/сут. Водозабор площадного типа, трехрядный, с расстоянием между скважинами 10 м. Запасы подземных вод верхнеказанского водоносного комплекса участка Царевский-1 утверждены в 2024 г. в количестве 2000 м3/сут по кат. В. Действующий водозабор рассматривался как аналог для изучения участка Царевский-2.
С целью обеспечения водой проектируемого жилого поселка Царево-2, в пределах Царевского месторождения выделен участок Царевский-2 для строительства дополнительного источника водоснабжения с производительностью 5065 м3/сут. В гидрогеологическом отношении он занимает крайне невыгодную позицию для перехвата ресурсов подземных вод, так как расположен на водоразделе бассейнов двух крупных рек.
По результатам бурения пилотной (картировочной) скважины и проведения геофизических исследований методами ГК и КС, на участке Царевский-2 подтверждено наличие продуктивных водоносных слоев в кровле верхнеказанского водоносного комплекса, изучен литологический состав пород, уточнены тип фильтра, способ его установки и конструкция рабочей части, состав и параметры промывочной жидкости при бурении. Выбор технологии освоения водоносного пласта был обоснован строением продуктивного пласта и литологическим составом пород, глубиной залегания статического уровня подземных вод и литологическим составом пород зоны аэрации. Полученные при бурении и проведении геофизических исследований материалы позволили разработать геолого-технические мероприятия как для этапа бурения и расширения ствола скважины в интервале установки фильтровой колонны, так и для этапа освоения водоносного пласта после установки фильтра. При разработке геолого-технических мероприятий использовались следующие исходные данные:
— продуктивный водоносный горизонт, приуроченный к кровле верхнеказанских отложений, сложенный известняками и мергелями, пласты маломощные от 3 до 6 м, переслаиваются глинами и алевролитами, залегают в интервале глубин 100–120 м. В этом интервале выделено два водоносных пласта, разделенных водоупором. Характер распределения напоров в вертикальном разрезе нисходящий, разрыв уровней составляет 10 м, статические уровни устанавливаются на глубине 95–107 м;
— с учетом распределения напоров для каптажа подземных вод двух водоносных пластов пробурены ярусные узлы скважин глубиной до 100 м и 120 м;
— зона аэрации сложена континентальными терригенными отложениями уржумского горизонта, представленными в основном глинами, алевролитами с маломощными прослоями песчаника, разрушенного до песка;
— песчаные водоносные прослои верхней части разреза разгружаются в местную речную сеть — р. Нокса (приток р. Казанка), расстояние до реки 300–500 м;
— продуктивные водоносные пласты в верхнеказанских отложениях разгружаются в р. Сула (приток р. Меша), расстояние до реки 4,5 км.
Геолого-технические мероприятия на этапе бурения скважины заключались в выборе способа бурения, типа и параметров промывочной жидкости. Оно проводилось вращательным способом установкой роторного бурения. До глубины залегания статического уровня бурение скважины велось на глинистом растворе со следующими параметрами: плотность 1100–1250 кг/м3, вязкость 18–22 сек. Обрушение стенок скважины в интервалах залегания неустойчивых водоносных пород контролировалось вязким буровым раствором. При проходке на глубине вскрытия продуктивного водоносного пласта глинистый раствор в зумфе заменен на техническую воду с добавлением КМЦ-400 с концентрацией раствора 1,5 %. Большой расход промывочной жидкости компенсировался бесперебойной подачей воды из ранее пробуренных скважин. Кольматация пласта на этом этапе буровых работ происходит за счет проникновения бурового шлама в трещины известняка. После промывки технической водой открытого ствола скважины проведены геофизические исследования методами кавернометрии и видеокаротажа (как дополнительный метод) с целью определения диаметра скважины, глубины и степени раскрытия трещин.
Для разрушения продуктов кольматации применялся химический способ восстановления проницаемости пласта — соляно-кислотная обработка открытой части ствола скважины методом кислотной ванны (Башкатов, Д.Н. Справочник по бурению скважин на воду / Д.Н. Башкатов, А.М. Коломиец, Б.И. Зайцев. — М.: ООО «РИЦ АРИАДНА », 2021 г.). Концентрация кислоты в водно-кислотном растворе 15–17 %. Через оголовок скважины и бурильные трубы в скважину закачивался водно-кислотный раствор в количестве 0,5–1,5 м3. Срок выдерживания водно-кислотного концентрата в скважине — 1 сут. После обработки проводилась прокачка центробежным погружным насосом ЭЦВ 8-65-125. В процессе прокачки контролировались минерализация и рН извлекаемой воды смешенной с продуктами реакции породы с кислотой, с целью определения времени завершения прокачки.
На этапе освоения водоносного пласта после установки фильтра выполнялась соляно-кислотная обработка методом подачи кислоты пневмоприводным мембранным насосом Tapflo T100, серии PE&PTFE из емкости в скважину под давлением. Концентрация кислоты в водно-кислотном растворе 15–17 %. Раствор нагнетался в менее проницаемые интервалы, установленные по результатам резистивиметрии, выполненной при условии возбуждения пласта прокачкой. Срок выдерживания водно-кислотного концентрата в скважине также не более 1 сут. После обработки проводилась прокачка центробежным погружным насосом ЭЦВ 8-65-125, в процессе которой контролировались минерализация и рН извлекаемой воды.
С целью увеличения проницаемости водоносного пласта в каждой скважине выполнено от двух до пяти опытов соляно-кислотной обработки. Результаты ОФР до соляно-кислотной обработки и после нее представлены в таблице.
Таблица. Сравнительные результаты откачек до и после кислотной обработки скважины
Анализ результатов опытно-фильтрационных работ (ОФР), выполненный для каждой скважины до и после соляно-кислотной обработки пласта, показал значительное увеличение удельных дебитов откачек в 3,5–18 раз. Максимальный суммарный дебит скважин составил 7412 м3/сут. При групповой двухмесячной откачке из скв. №№ 4, 6 получен суммарный дебит 2456 м3/сут, составляющий 49 % от заявленной потребности 5065 м3/сут.
Показатели коэффициента фильтрации пластов, рассчитанные по величинам удельных дебитов, полученных в конце (на последнем этапе) ступенчатых откачек после проведения кислотной обработки, составили:
— верхний интервал (скв. 6-р-э) — К = 66 м/сут;
— средний интервал (скв. 4-р-э) — К = 72 м/сут;
— нижний интервал (скв. 3-р-э) — К = 5,7 м/сут.
Оценка запасов подземных вод на участке Царевский-2 была выполнена методом математического моделирования на специально разработанной геофильтрационной модели Царевского месторождения, в которой расчетные пласты схематизировались однородными в плане. Обобщение результатов одиночного опробования скважин в пределах месторождения (в том числе на участке Царевский-1) и результатов кустовых откачек, проведенных на соседних Столбищенском, Акинском и Смарт-Ситинском месторождениях подземных вод, позволило принять в качестве расчетных величин фильтрационных параметров основных пластов в пределах всего месторождения следующие величины:
— Нижнержумский — Кх = 2 м/сут и Кz = 0,2 м/сут;
— Верхнеказанский — Кх = 10 м/сут и Кz = 1,0 м/сут;
— Нижнеказанский — Кх = 3 м/сут и Кz = 0,3 м/сут.
Величины коэффициента фильтрации расчетных пластов модели Царевского месторождения, полученные в результате интерпретации откачек из скважин, подвергшихся кислотной обработке, выполненных на участке Царевский-2, характеризуют не опробуемые интервалы водоносных комплексов, а прискважинную зону разведочно-эксплуатационных скважин. В связи с этим в блоках, где они расположены, задавался более высокий, чем для всего пласта, коэффициент фильтрации, соответствующий величинам, полученным при обработке откачек из скважин, после кислотной обработки.
При прогнозном моделировании «ураганные» значения фильтрационных параметров были приняты только в блоках расположения скважины размером 50×50 м. Принятый размер блоков был обоснован расчетом радиуса проникновения кислоты в трещины водоносного пласта, сложенного переслаиванием проницаемых карбонатных и слабопроницаемых терригенных пород. Для карбонатных пород характерен трещинный тип фильтрации подземных вод, радиус проникновения кислоты зависит от параметров закачки (производительность и время) и характеристики пласта (число и ширина трещин). Расчетный радиус проникновения кислоты в трещины пласта составил 18 м. На остальной площади модели принимались параметры, полученные по результатам анализа материалов оценки запасов на участках действующих водозаборов, в том числе Царевский-1, что послужило неким запасом прочности прогнозных расчетов.
Запасы подземных вод на участке Царевский-2 оценены применительно к схеме линейного водозабора, состоящего из трех водозаборных узлов (рис. 2):
— ВЗУ I (центральный) состоит из скважин №№ 4, 6 с суммарным рекомендованным водоотбором — 1915 м3/сут;
— ВЗУ II (западный) — скважины №№ 4/2, 6/2 — 1500 м3/сут;
— ВЗУ III (восточный) — скважины №№ 4/3, 6/3 —1650 м3/сут.
Рис. 2. Прогнозная депрессионная воронка при работе проектного водозабора «Царево-2» (Q = 5065 м3/сут): 1 — эксплуатационная скважина проектного водозабора Царево-2, ее номер; 2 — изолиния понижения уровня (м); 3 — кадастровая граница водозабора; 4 — сетка модели; 5 — блок модели с эксплуатационными скважинами
Общая производительность скважин трех ВЗУ — 5065 м3/сут. На каждом водозаборном узле ярусные скважины оборудованы фильтрами на «верхний» и «нижний» водоносные пласты в составе верхнеказанского водоносного комплекса. Расстояние между ВЗУ 200 и 265 м, расстояние между скважинами ярусного узла 10 м, расположение скважин линейное субширотное, с соблюдением расстояния 50 м до границ земельного участка для возможности создания первого пояса ЗСО.
При заданных условиях эксплуатации участка Царевский-2 (суммарный водоотбор — 5065 м3/сут) к концу расчетного срока (9125 сут) прогнозное понижение уровня в пласте, с учетом работы действующих водозаборов на участке Царевский-1 и «СНТ Городок», составило 3,0–3,2 м, а в скважинах, с учетом поправки на переход от блока к скважине, — 3,3–5,2 м. Полученные расчетные понижения меньше допустимых величин. Допустимое понижение принято 1/2 мощности столба воды в скважинах: скв. № 6 — 5,89 м, скв. № 4 — 12,8 м, скв. № 6/2 — 6,53 м, скв. № 6/3 — 6,0 м, скв. № 4/2 — 13 м, скв. № 4/3 — 13,02 м.
Опыт эксплуатации водозаборов с дебитами скважин 700–1900 м3/сут в данных гидрогеологических условиях отсутствует, поэтому дальнейшее изучение участка Царевский-2 Царевского месторождения предложено выполнить в составе опытно-промышленной разработки (ОПР) сроком проведения 5 лет (согласно п.п. 7, 8 Приказа МПР от 30.07.2020 №530). Этап опытно-промышленной разработки участка Царевский-2 планируется осуществить в целях уточнения основных геолого-гидрогеологических условий участка, фильтрационных и емкостных свойств продуктивных пластов водоносного верхнеказанского комплекса, производительности водозабора, подтверждения (или корректировки) эксплуатационных нагрузок на каждую скважину.
Выводы
1. По результатам анализа опыта эксплуатации действующего водозабора на участке Царевский-1 и откачек из скважин на участке Царевский-2 выявлено значительное расхождение гидрогеологических параметров водоносных пластов, приуроченных к кровле верхнеказанского комплекса. Причины расхождения, по нашему мнению, обусловлены методическими и техническими ошибками, допущенными при сооружении скважин на участке водозабора Царевский-1: отсутствие геофизических исследований; кольматация водоносного пласта в процессе бурения и расширения ствола скважин; отказ от бурения скважин на поисковой стадии с конструкциями, позволяющими решать вопросы будущей эксплуатации (получение максимальных дебитов и удельных дебитов).
2. Применение методик освоения продуктивных водоносных пластов в скважинах участка Царевский-2 путем соляно-кислотной обработки позволило оценить эксплуатационные возможности каждой скважины, повысить информативность откачек, обосновать рациональную схему их расположения, сократить время от начала гидрогеологических исследований до проектирования строительства водозабора.
3. С целью снижения затрат при эксплуатации водозабора на участке Царевский-1 рекомендовано оптимизировать схему действующего водозабора с использованием опыта сооружения скважин и освоения водоносного пласта на участке Царевский-2.
© Гараева Т.В., Ракунов А.Б., 2025
