Суфозія

Суфозія

Суфозія — процес винесення з ґрунтів дрібних мінеральних часток підземними водами.

Суфозія виникає в піщаних ґрунтах, а іноді і в супісках. Вона відбувається на схилах, куди виходять підземні води, на укосах земляних гребель і дамб, у піщаних основах бетонних гребель, у будівельних котлованах при відкритому водовідведенні, при відкачуванні води із свердловин та в інших подібних випадках.

У цьому процесі основне значення має механічне винесення, а невинесення речовини у вигляді розчину. Але є й хімічна суфозія.

Винесення мінеральних частинок пояснюється впливом на них фільтраційного тиску, який чисельно дорівнює гідравлічному градієнту. Інтенсивність суфозійного процесу залежить від ступеня неоднорідності зернового складу ґрунтів.

Чим вищий сту пінь неоднорідності, тим при менших гідравлічних градієнтах виникає суфозія. Щоб встановити критичний для даного ґрунту гідравлічний градієнт, при якому виникає суфозія, застосовують прилад системи В. М. Слав’янова .

Під час досліду воду через зразок ґрунту пропускають знизу вгору при різних значеннях гідравлічного гра дієнта. Поява в профільтрованій воді мінеральних частинок у змуленому стані вказує на процес суфозії, який почався. У цей час відмічають значення гідри лічного градієнта. Це буде критичний градієнт.

У деяких ґрунтах при певному значенні гідравлічного градієнта спочатку відбувається фільтрація води, при збільшенні градієнта — суфозія, а при подальшому збільшенні градієнта ґрунт розріджується, тобто переходить у пливунний стан.

Допустиме значення гідравлічного градієнта з точки зору виникнення суфозії можна визначити з допомогою графіка, запропонованого В. С. Істоміною, для випадків висхідного руху води.

Коли ґрунтові або інші підземні води виходять на схил, складений водопроникними ґрунтами, то можливе винесення мінеральних частинок, спочатку найдрібніших, а потім дрібних.

Після винесення цих частинок швидкість руху води зростає. Починається винесення більших частинок. У результаті на схилі утворюється ніша, і цілісність його порушується. Це може спричинити розвиток зсуву.

Аналогічні явища відбуваються при фільтрації води крізь тіло земляної греблі в бік нижнього нахилу. У процесі фільтрації води в порах ґрунтів їхні частинки зазнають діяння гідродинамічного тиску. Напрям дії цього тиску збігається з напрямком руху води. Рух води не завжди приводить до винесення частинок, яке залежить від багатьох факторів, головні із яких такі: розміри пор та частинок, мінералогічний склад, швидкість фільтрації води, гідродинамічний напір.

Рух води в порах глинистих ґрунтів відбувається з повільною швидкістю, і тому прояв механічної суфозії для таких ґрунтів нехарактерний. У пісках винесення частинок можливе при неоднорідному гранулометричному складі.

У залежності від конкретних умов форми прояву механічної суфозії різноманітні. Прийнято розрізняти її прояв у винесенні окремих частинок із пор піску, в розпушуванні мас піску і у випиранні цих мас.

Винесення частинок піску водою, що поступає в свердловину, може стати причиною заповнення її піском при відкачуванні води та опускання земної поверхні навколо свердловини. Для запобігання винесення піску із водоносних горизонтів свердловини обладнують фільтрами, які пропускають воду і затримують пісок.

Суфозія в будівельних котлованах виникає при відкритому водовідведенні. В результаті винесення мінеральних частинок з ґрунту основи будинків, які розташовані поруч, послаблюються. Це може стати причиною розвитку значного осідання фундаментів. Крім того, відбувається обвалювання стінок котлованів. У таких випадках відкопування котлованів та закладення фундаментів проводять, організуючи водозниження, наприклад, за допомогою голкофільтрових пристороїв.

Винесення частинок піску на місці виходу джерел на схилах може викликати руйнування схилів.

Гідродинамічний тиск води, що фільтрується знизу уверх, призводить до зменшення міцності піску аж до перетворення його в хитливу масу, що поглинає предмети, які знаходяться на його поверхні. Внаслідок суфозії відбуваються зсуви та провали земної поверхні, утворюються "блюдця" та ін.

При визначенні заходів боротьби з суфозією необхідно перш за все припинити рух води через масив гірської породи. Для цього застосовується тампонаж порід твердіючими розчинами, улаштовуються дренажі, протифільтраційні завіси Піскування свердловин (рос. пескование скважин; англ. sanding-up (suffosion) of wells; нім. Sondensandbehandlung f) – винесення піску із продуктивного пласта у свердловину або суфозія. П.с. зумовлюється дією фільтраційного потоку на продуктивний пласт, внаслідок якої окремі частинки (піщинки) видаляються із привибійної зони i змінюється структура гірської породи.

При малих швидкостях фільтрації сили зчеплення між частинками переважають сили гідродинамічного тиску i суфозії не спостерігається. Із збільшенням швидкостей фільтрації сили гідродинамічного тиску руйнують структурні зв’язки між частинками. Швидкості, при яких починається руйнування структурних зв’язків гірської породи i, як результат, суфозія, називають критичними, критично суфозійними. На суфозійні процеси впливають розмір частинок, ступінь неоднорідності піску, його обкатаності, зцементованості піщинок та кольматації присвердловинної зони пласта, характер освоєння свердловини i т.д. Винесення піску істотно зростає при дестабілізації режиму фільтрації, а з часом, при усталенні режиму, різко зменшується (іноді зовсім припиняється). При усталеному режимі фільтрації біля пор пласта чи отворів фільтра формується аркова структура, тобто у привибійній зоні формується природний фільтр, i сили зчеплення між частинками i перепаду тиску компенсуються.

При зміні режиму фільтрації змінюється витрата рідини через аркову структуру, що призводить до її переформування. Переформування арки відбувається після її повного обвалення i винесення обваленої породи у свердловину, що i призводить до інтенсифікації П.с. Нова арка формується на відстані від отворів пор гірської породи або фільтра, що відповідає новим величинам витрати рідини через арку i перепаду тиску.

При ламінарному режимі руху можливе формування стійких аркових структур, а значить, припинення П.с. У випадку турбулентної фільтрації аркові структури під дією пульсацій швидкостей i тиску не утворюються або щораз руйнуються, що призводить до суфозії, яка не припиняється. Оскільки внаслідок кольматації пористість гірської породи зменшується, то кольматація зумовлює збільшення швидкості руху рідини, виникнення ранньої турбулізації потоку i, як результат, інтенсифікацію суфозії.

При неможливості припинення винесення піску суфозія призводить до незворотних явищ, що пов’язані зі зниженням експлуатаційної характеристики (міцності стінок, продуктивності) свердловини. В ході експлуатації об’єм винесеної породи із пласта збільшується i зростає об’єм каверн, що утворюються у присвердловинній зоні. Із збільшенням об’єму каверн їх стійкість знижується i за певних умов відбувається обвалення стінок. При обваленні каверни менш проникні чи глинисті породи із вищезалеглих інтервалів частково перекривають фільтрову зону. Процес П.с. при цьому не припиняється, а інтенсифікується, що може призвести уже до обвалення глинистої покрівлі продуктивного пласта, зім’яття експлуатаційної колони чи втрати продуктивності свердловини. Характерно, що ремонту такі свердловини не підлягають i їх необхідно перебурювати.

Існують гідродинамічний i механічний методи запобігання суфозії. Гідродинамічний метод можна застосувати за умови відносної стійкості гірських порід. Суть його полягає у створенні ощадливого режиму експлуатації свердловини, при якому П.с. не спостерігається, тобто у зменшенні дебіту до певного допустимого рівня, коли зменшуються швидкість фільтрації, депресія тиску i, як наслідок, напруга в породі. Але в умовах слабкозцементованих порід експлуатація свердловин за таких режимів часто виявляється економічно нерентабельною.

Механічний метод полягає у створенні на шляху міграції частинок різних перешкод. Сюди відносяться способи кріплення порід у привибійній зоні та застосування фільтрів. За першим способом здійснюють запомповування у привибійну зону цементуючих (склеюючих) матеріалів (цементний розчин, смоли), які зміцнюють структурні зв’язки між частинками. Недолік цього способу – істотне зменшення проникності порід у привибійній зоні внаслідок часткового заповнення пор цементуючим матеріалом. У розвиток цього способу запропоновано спосіб, який полягає у створенні каверни, а відтак її заповненні матеріалом з підвищеною проникністю i наступному його кріпленні смолами.

Суть способу застосування фільтрів полягає в затримуванні частинок піску продуктивного пласта біля отворів фільтра. За конструкцією i технологією виготовлення розрізняють трубні i гравійні фільтри. Трубні фільтри опускають у свердловину на обсадних трубах або за допомогою насосно-компресорних труб. Їх підрозділяють на прості (розміри отворів 1,5–20 мм або щілин 0,4–0,5 мм на трубі), складні, що утворені із простих намотуванням дроту (дротяні), встановленням кнопок (кнопкові) i кілець (кільцеві), а також металокерамічні, які виготовлені із спресованого порошку спіканням у середовищі водню при 1200 °C та ін. Фільтри встановлюють i для підтримування стійкості порід привибійної зони при кріпленні їх цементуючим матеріалом. Гравійні фільтри являють собою шар гравію між продуктивним пластом i каркасом фільтра або між зовнішнім i внутрішнім каркасами фільтра. Гравійні фільтри можуть бути створені або на поверхні перед опусканням фільтрової колони у свердловину, або у свердловині після встановлення каркаса фільтра. [1] [2] [3] [[4]]