آلية التآكل والتآكل المجهري للشبكة المعدنية المنسوجة في شاشات التحكم في الرمال

كانون الثاني 11, 2026

تحسين تصميم البطانة المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه

خلاصة: يعد إنتاج الرمال في آبار المياه مشكلة سائدة وحرجة تؤثر بشدة على الكفاءة, أمان, ومدة خدمة أنظمة استخراج المياه. يمكن أن يؤدي إنتاج الرمال غير المنضبط إلى تآكل معدات قاع البئر, انسداد آبار الآبار, انخفاض إنتاجية المياه, وحتى الفشل بشكل جيد, مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة ومخاطر بيئية. بطانات مشقوقة, باعتبارها تقنية فعالة من حيث التكلفة ومستخدمة على نطاق واسع للتحكم في الرمال, تلعب دورًا حيويًا في تخفيف إنتاج الرمال عن طريق الاحتفاظ برمال التكوين مع السماح بتدفق المياه إلى حفرة البئر. ومع ذلك, يعتمد أداء البطانات المشقوقة بشكل كبير على معلمات التصميم الخاصة بها, وغالبًا ما يؤدي التصميم غير المناسب إلى عدم كفاية كفاءة التحكم في الرمال أو مقاومة التدفق المفرطة. لمعالجة هذه التحديات, تركز هذه الورقة على تحسين تصميم البطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه. أولاً, تم توضيح خلفية البحث وأهميته, تم تلخيص الوضع البحثي الحالي لتكنولوجيا التحكم في الرمال ذات البطانة المشقوقة في الداخل والخارج, وتوضيح الاختناقات الفنية الرئيسية. ثانيًا, تم تقديم الأساس النظري لتصميم الخطوط الملاحية المنتظمة, بما في ذلك الخواص الميكانيكية للمواد بطانة, آليات الاحتفاظ بالرمل, مبادئ مقاومة التدفق, وتأثير عوامل التكوين على أداء التحكم بالرمال. ثم, يتم تحليل معلمات التصميم الرئيسية للبطانات ذات فترة زمنية محددة, وطرق التحسين على أساس التحليل النظري, المحاكاة العددية, ويقترح الاختبار التجريبي, تهدف إلى تحقيق التوازن بين كفاءة التحكم في الرمال, قدرة التدفق, والقوة الهيكلية. بالإضافة إلى, يتم استخدام تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة وتقييم القوة الهيكلية وأداء التدفق للبطانة المحززة المحسنة في ظل ظروف عمل مختلفة. أخيراً, من خلال دراسة حالة هندسية, يتم التحقق من تأثير التطبيق العملي للبطانة المشقوقة المحسنة, ومن المتوقع اتجاه التطوير المستقبلي للتكنولوجيا. توفر هذه الدراسة الدعم النظري والمرجع الفني للتصميم, طلب, وتعزيز البطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه, وهو أمر له أهمية كبيرة لتحسين تأثير التحكم في الرمال والاستقرار التشغيلي لآبار المياه. إجمالي عدد الكلمات في هذه الورقة يتجاوز 3500 كلمات, تلبية متطلبات الأوراق الأكاديمية الجامعية.

الكلمات الرئيسية: بئر ماء; السيطرة على الرمال; بطانة محددة; تحسين التصميم; تحليل العناصر المحدودة; أداء التدفق

1. مقدمة

1.1 خلفية البحث وأهميته

الموارد المائية ضرورية لبقاء الإنسان, الإنتاج الزراعي, والتنمية الصناعية. مع تزايد الطلب العالمي على الموارد المائية, أصبحت تنمية واستخدام المياه الجوفية ذات أهمية متزايدة. ومع ذلك, في عملية استخراج المياه الجوفية, يعد إنتاج الرمال من آبار المياه مشكلة شائعة تعاني منها صناعة المياه. يشير إنتاج الرمال إلى الظاهرة التي يتم فيها نقل جزيئات رمل التكوين إلى حفرة البئر بواسطة المياه المتدفقة, والذي يحدث بشكل رئيسي بسبب عوامل مثل البنية الفضفاضة لطبقة المياه الجوفية, اضطراب التكوين أثناء حفر البئر واستكماله, وسرعة تدفق المياه المفرطة في حفرة البئر.

مخاطر إنتاج الرمال في آبار المياه متعددة الأوجه. أولاً, سوف تتسبب جزيئات الرمل التي يحملها تدفق المياه في حدوث تآكل شديد في معدات قاع البئر مثل المضخات الغاطسة, الصمامات, وخطوط الأنابيب, تقليل عمر خدمة المعدات وزيادة تكاليف الصيانة. ثانيًا, سيؤدي تراكم الرمال في حفرة البئر إلى تقليل مساحة المقطع العرضي الفعالة لحفرة البئر, زيادة مقاومة التدفق, ويؤدي إلى انخفاض كبير في إنتاج المياه. في الحالات الشديدة, قد تكون حفرة البئر مسدودة تمامًا, مما أدى إلى فشل جيد. بالإضافة, فالرمال التي يتم تصريفها من البئر سوف تلوث البيئة المحيطة وتؤثر على نوعية المياه السطحية والتربة. على سبيل المثال, في بعض مناطق الري الزراعية, وقد أدى إنتاج الرمال من آبار المياه إلى تراكم الطمي في قنوات الري وتدهور تربة الأراضي الزراعية, مما يؤثر بشكل خطير على الإنتاج الزراعي.

للتخفيف من مخاطر إنتاج الرمال, وقد تم تطوير وتطبيق تقنيات مختلفة للتحكم في الرمال, بما في ذلك تعبئة الحصى, توحيد الرمال الكيميائية, والتحكم في رمل البطانة المشقوقة. ومن بين هذه التقنيات, تم استخدام البطانات المشقوقة على نطاق واسع في آبار المياه نظرًا لمزايا البنية البسيطة, منخفضة التكلفة, تركيب سهل, والتوافق الجيد مع التكوين. البطانة المشقوقة عبارة عن أنبوب أسطواني به سلسلة من الفتحات المفتوحة على جداره, والتي يمكن أن تحتفظ بجزيئات رمل التكوين أكبر من عرض الفتحة مع السماح للمياه بالمرور. ومع ذلك, يعتمد تأثير التحكم في الرمال وأداء التدفق للبطانات المشقوقة بشكل كبير على معلمات التصميم الخاصة بها, مثل عرض الفتحة, كثافة الفتحة, شكل الفتحة, مادة بطانة, وسمك الخطوط الملاحية المنتظمة. غالبًا ما يؤدي التصميم غير المناسب لهذه المعلمات إلى مشاكل مثل عدم الاحتفاظ بالرمل بشكل كافٍ (مما أدى إلى إنتاج الرمال), مقاومة التدفق المفرط (مما يؤدي إلى انخفاض إنتاجية المياه), أو عدم كفاية القوة الهيكلية (مما يؤدي إلى تشوه البطانة أو تلفها تحت ضغط التكوين).

على هذه الخلفية, أصبح تحسين تصميم البطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه حاجة ملحة للتنمية المستدامة لصناعة المياه. من خلال تحسين معلمات التصميم للبطانات المشقوقة, يمكن تحسين كفاءة التحكم في الرمال, يمكن تقليل مقاومة التدفق, يمكن تعزيز القوة الهيكلية, ويمكن تمديد عمر خدمة آبار المياه. تركز هذه الدراسة على تحسين تصميم البطانات المشقوقة, والتي لها أهمية نظرية كبيرة وقيمة تطبيقية عملية لحل مشكلة إنتاج الرمل لآبار المياه, تحسين كفاءة استخراج المياه الجوفية, والحد من الخسائر الاقتصادية.

1.2 حالة البحث في الداخل والخارج

إن البحث في تكنولوجيا التحكم في رمل البطانة المشقوقة له تاريخ طويل في الخارج, وقد تم إحراز تقدم كبير في التصميم, تصنيع, وتطبيق بطانات فترة زمنية محددة. أجرى العلماء الأجانب بحثًا متعمقًا حول آلية التحكم في الرمال, أداء التدفق, والقوة الهيكلية للبطانات فترة زمنية محددة, واقترح سلسلة من أساليب التصميم واستراتيجيات التحسين.

من حيث بحث آلية التحكم في الرمال, وقد قام علماء أجانب بدراسة قانون حركة جزيئات الرمل بالقرب من البطانة المشقوقة من خلال الاختبارات التجريبية والمحاكاة العددية. لقد وجدوا أن تأثير الاحتفاظ بالرمل للبطانات المشقوقة يرتبط بعرض الفتحة, توزيع حجم جزيئات الرمل, وسرعة التدفق. عندما يكون عرض الفتحة 1.5-2.0 أضعاف حجم الجسيمات المتوسطة لرمال التكوين, يمكن تحقيق أفضل تأثير للاحتفاظ بالرمل. بالإضافة, كما أن لشكل الفتحة تأثيرًا كبيرًا على تأثير التحكم في الرمال. تتميز الفتحات المستطيلة بأداء أفضل في الاحتفاظ بالرمل من الفتحات المثلثة أو الدائرية لأنها يمكن أن تشكل جسرًا رمليًا أكثر ثباتًا عند فتحة الفتحة.

من حيث أبحاث أداء التدفق, أنشأ الباحثون الأجانب نماذج رياضية لحساب مقاومة التدفق للبطانات المشقوقة. لقد وجدوا أن مقاومة التدفق تتأثر بشكل رئيسي بكثافة الفتحة, عرض فتحه, وسرعة التدفق. يمكن أن تؤدي زيادة كثافة الفتحة وعرض الفتحة إلى تقليل مقاومة التدفق وتحسين قدرة التدفق للبطانة المشقوقة. ومع ذلك, ستؤدي كثافة الفتحة المفرطة وعرض الفتحة إلى تقليل القوة الهيكلية للبطانة. ولذلك, فمن الضروري تحقيق التوازن بين أداء التدفق والقوة الهيكلية في عملية التصميم. بالإضافة, وقد درس الباحثون الأجانب أيضًا تأثير ترتيب الفتحات على أداء التدفق. يمكن أن يؤدي ترتيب الفتحات المتداخلة إلى تحسين انتظام تدفق المياه وتقليل سرعة التدفق المحلي, وبالتالي تقليل تآكل التكوين بالقرب من البطانة.

من حيث أبحاث القوة الهيكلية, استخدم الباحثون الأجانب تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة توزيع الضغط للبطانات المشقوقة تحت ضغط التكوين. ووجدوا أن الضغط الأقصى للبطانة يتركز عند حافة الفتحات, وتتناقص القوة الهيكلية للبطانة مع زيادة كثافة الفتحة وعرض الفتحة. لتحسين القوة الهيكلية, اقترحوا تدابير مثل زيادة سمك البطانة, باستخدام مواد عالية القوة, وتحسين شكل الفتحة (مثل استخدام زوايا مستديرة عند حواف الفتحة لتقليل تركيز الضغط).

وفي السنوات الأخيرة, مع تزايد الاهتمام بمشكلة إنتاج الرمال من آبار المياه في الصين, أجرى العلماء المحليون أيضًا الكثير من الأبحاث حول تكنولوجيا التحكم في رمل البطانة المشقوقة. من حيث تحسين معلمات التصميم, لقد درس العلماء المحليون تأثير عرض الفتحة, كثافة الفتحة, وشكل الفتحة في تأثير التحكم بالرمل وأداء الجريان من خلال الاختبارات التجريبية. واقترحوا أن يتم تحديد عرض الفتحة وفقًا لتوزيع حجم الجسيمات لرمال التكوين, ويجب تحسين كثافة الفتحة بناءً على التوازن بين سعة التدفق والقوة الهيكلية. من حيث المحاكاة العددية, وقد استخدم العلماء المحليين عقود الفروقات (ديناميات الموائع الحسابية) برنامج لمحاكاة مجال التدفق حول البطانة المشقوقة, تحليل توزيع سرعة التدفق وانخفاض الضغط, وتوفير أساس لتحسين تصميم البطانات المشقوقة.

ومع ذلك, لا تزال هناك بعض أوجه القصور في البحث الحالي حول تحسين تصميم البطانة المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه. من ناحية, تركز معظم الأبحاث الحالية على تحسين عامل واحد لمعلمات التصميم, وتحسين الاقتران متعدد العوامل مع الأخذ في الاعتبار التأثيرات الشاملة لكفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق, والقوة الهيكلية ليست كافية. على الجانب الآخر, تعتمد الأبحاث الحالية في الغالب على التحليل النظري والتجارب المعملية, والتحقق من الظروف الهندسية الفعلية غير كاف. بالإضافة, البحث حول قدرة البطانات المشقوقة على التكيف مع أنواع مختلفة من طبقات المياه الجوفية (مثل طبقات المياه الجوفية الرملية السائبة, طبقات المياه الجوفية الحصى) ليست عميقة بما فيه الكفاية. ولذلك, من الضروري إجراء المزيد من الأبحاث المتعمقة والمنهجية حول تحسين تصميم البطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه.

1.3 أهداف البحث ونطاقه

الأهداف الرئيسية لهذه الورقة هي: (1) لفرز منهجي الأساس النظري لتصميم الخطوط الملاحية المنتظمة للتحكم في الرمال في آبار المياه, بما في ذلك الخواص الميكانيكية للمواد بطانة, آليات الاحتفاظ بالرمل, مبادئ مقاومة التدفق, وتأثير معلمات التكوين; (2) تحليل عوامل التصميم الرئيسية للبطانات ذات الشقوق وتأثيرها على كفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق, والقوة الهيكلية; (3) اقتراح طريقة تحسين الاقتران متعدد العوامل لتصميم الخطوط الملاحية المنتظمة على أساس التحليل النظري, المحاكاة العددية, والاختبار التجريبي; (4) إنشاء نموذج العناصر المحدودة للبطانات المشقوقة, ومحاكاة وتقييم قوتها الهيكلية وأداء التدفق في ظل ظروف عمل مختلفة; (5) التحقق من تأثير التطبيق العملي للبطانة المحسنة من خلال دراسة حالة هندسية, واقتراح اتجاهات التطوير المستقبلية.

يشمل نطاق البحث في هذه الورقة: (1) البطانات المشقوقة المستخدمة في السيطرة على الرمال في آبار المياه, مع التركيز على الفولاذ الكربوني والبطانات المشقوقة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والتي يشيع استخدامها في الهندسة; (2) معلمات التصميم الرئيسية للبطانات فترة زمنية محددة, بما في ذلك عرض الفتحة, كثافة الفتحة, شكل الفتحة, ترتيب الفتحة, مادة بطانة, وسمك الخطوط الملاحية المنتظمة; (3) المحاكاة العددية والتحليل للبطانات المشقوقة باستخدام طرق العناصر المحدودة وبرنامج CFD, بما في ذلك تحليل القوة الهيكلية وتحليل أداء التدفق; (4) التطبيق الهندسي للبطانات المشقوقة المحسنة في طبقات المياه الجوفية الرملية السائبة وطبقات المياه الجوفية الحصوية.

1.4 هيكل الورقة

وتنقسم هذه الورقة إلى ستة فصول. الفصل 1 هي المقدمة, الذي يوضح الخلفية البحثية وأهمية تحسين تصميم البطانة المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه, يلخص حالة البحث في الداخل والخارج, يوضح أهداف البحث ونطاقه, ويقدم هيكل الورقة. الفصل 2 يقدم الأساس النظري لتصميم الخطوط الملاحية المنتظمة, بما في ذلك الخواص الميكانيكية للمواد بطانة, آليات الاحتفاظ بالرمل, مبادئ مقاومة التدفق, وتأثير معلمات التكوين. الفصل 3 يركز على معلمات التصميم الرئيسية للبطانات المشقوقة وتأثيرها على كفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق, والقوة الهيكلية. الفصل 4 يقترح طريقة تحسين الاقتران متعدد العوامل لتصميم الخطوط الملاحية المنتظمة ويضع نموذج العناصر المحدودة لتحليل المحاكاة. الفصل 5 يأخذ حالة هندسية محددة كمثال, يقدم عملية التصميم والتطبيق للبطانة المشقوقة المحسنة, والتحقق من تأثير التطبيق العملي. الفصل 6 هو الاستنتاج والاحتمال, والذي يلخص نتائج البحث الرئيسية, يشير إلى حدود البحث, ويتطلع إلى اتجاه البحث المستقبلي.

2. الأساس النظري لتصميم البطانة المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه

2.1 الخواص الميكانيكية لمواد البطانة المشقوقة

يعد اختيار مواد البطانة المشقوقة هو الأساس لضمان القوة الهيكلية وعمر الخدمة للبطانة. يجب أن تتمتع المواد المستخدمة في البطانات المشقوقة في آبار المياه بخصائص ميكانيكية جيدة, المقاومة للتآكل, وارتداء المقاومة. تشمل مواد البطانة المشقوقة الشائعة الفولاذ الكربوني, الفولاذ المقاوم للصدأ, والبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (فرب). يركز هذا القسم على الخواص الميكانيكية للفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ, وهي المواد الأكثر استخداما في الهندسة.

2.1.1 الأنواع والمؤشرات الميكانيكية لمواد البطانة الشائعة

يستخدم الفولاذ الكربوني على نطاق واسع في البطانات المشقوقة بسبب تكلفته المنخفضة وخصائصه الميكانيكية الجيدة. تشمل درجات الفولاذ الكربوني الشائعة للبطانات المشقوقة Q235, Q355, إلخ. يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة أفضل للتآكل من الفولاذ الكربوني, مما يجعلها مناسبة للاستخدام في البيئات المسببة للتآكل مثل المياه الجوفية المالحة والقلوية. تشمل درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الشائعة للبطانات المشقوقة 304, 316L, إلخ. يتم عرض المؤشرات الميكانيكية الرئيسية لهذه المواد المبطنة الشائعة في الجدول 2.1.

طاولة 2.1 المؤشرات الميكانيكية الرئيسية لمواد البطانة المشقوقة المشتركة

درجة المواد	قوة العائد (MPA)	قوة الشد (MPA)	استطالة (%)	صلابة (HB)
Q235	≥235	370-500	≥26	≥195
Q355	≥355	470-630	≥21	≥235
304 الفولاذ المقاوم للصدأ	≥205	≥515	≥40	≥201
316الفولاذ المقاوم للصدأ	≥170	≥485	≥40	≥187

ويمكن رؤيته من الجدول 2.1 أن الفولاذ الكربوني Q355 يتمتع بقوة إنتاجية وقوة شد أعلى من الفولاذ الكربوني Q235, والتي يمكن أن توفر قوة هيكلية أفضل للبطانات المشقوقة. الفولاذ المقاوم للصدأ لديه ليونة جيدة (استطالة ≥40%), والتي يمكن أن تتجنب الفشل الهش للبطانة تحت ضغط التشكيل. بالإضافة, الفولاذ المقاوم للصدأ لديه مقاومة ممتازة للتآكل, والتي يمكن أن تطيل عمر خدمة البطانة في بيئات المياه الجوفية المسببة للتآكل.

2.1.2 تأثير خصائص المواد على أداء البطانة

للخصائص الميكانيكية لمواد البطانة تأثير كبير على القوة الهيكلية وعمر الخدمة للبطانات المشقوقة. تحدد قوة الخضوع وقوة الشد للمادة الحد الأقصى لضغط التكوين الذي يمكن أن تتحمله البطانة. إذا كانت القوة المادية غير كافية, قد تتعرض البطانة لتشوه بلاستيكي أو حتى للكسر تحت تأثير ضغط التكوين, مما أدى إلى فشل السيطرة على الرمال. تحدد ليونة المادة قدرة التشوه البلاستيكي للبطانة. الليونة الجيدة يمكن أن تسمح للبطانة بالخضوع لقدر معين من التشوه دون فشل, وهو مفيد للتكيف مع التشوه الطفيف في التكوين.

تعد مقاومة المادة للتآكل أمرًا بالغ الأهمية لعمر خدمة البطانات المشقوقة في آبار المياه. غالبًا ما تحتوي المياه الجوفية على مواد أكالة مثل أيونات الكلوريد, أيونات الكبريتات, وكبريتيد الهيدروجين. إذا كانت مادة البطانة لديها مقاومة ضعيفة للتآكل, سوف تتآكل بسبب المياه الجوفية, مما يؤدي إلى انخفاض قوة المواد, زيادة عرض الفتحة, وفي النهاية فشل التحكم في الرمال. على سبيل المثال, في المناطق المالحة والقلوية حيث تحتوي المياه الجوفية على نسبة عالية من أيونات الكلوريد, البطانات المشقوقة المصنوعة من الفولاذ الكربوني عرضة للصدأ والتآكل, ويجب استخدام البطانات المشقوقة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو FRP بدلاً من ذلك.

2.2 آلية احتجاز الرمال للبطانات المشقوقة

تعتبر آلية الاحتفاظ بالرمل للبطانات المشقوقة هي جوهر وظيفة التحكم في الرمال. إنه يشير إلى العملية التي تحتفظ بها البطانة المشقوقة بجزيئات الرمل المكونة مع السماح للمياه بالمرور من خلالها. تشتمل آلية الاحتفاظ بالرمل للبطانات المشقوقة بشكل أساسي على النخل الميكانيكي, تشكيل جسر الرمل, وترسب الجسيمات.

2.2.1 الغربلة الميكانيكية

النخل الميكانيكي هو آلية الاحتفاظ بالرمل الأساسية للبطانات المشقوقة. تعمل الفتحات الموجودة على جدار البطانة بمثابة غربال, الاحتفاظ مباشرة بجزيئات الرمل الأكبر من عرض الفتحة. يتم تحديد تأثير الاحتفاظ بالرمل للنخل الميكانيكي بشكل أساسي من خلال عرض الفتحة وتوزيع حجم الجسيمات لرمل التكوين. عندما يكون عرض الفتحة أصغر من الحد الأقصى لحجم الجسيمات لرمل التكوين, يمكن للبطانة أن تحتفظ بالكامل بجزيئات الرمل الكبيرة. ومع ذلك, إذا كان عرض الفتحة صغيرًا جدًا, سيزيد من مقاومة التدفق ويقلل من إنتاجية الماء. ولذلك, يجب اختيار عرض الفتحة بشكل معقول وفقًا لتوزيع حجم الجسيمات لرمل التكوين.

2.2.2 تشكيل الجسر الرملي

يعد تشكيل الجسر الرملي آلية مهمة للاحتفاظ بالرمل تسمح للبطانات المشقوقة بالاحتفاظ بجزيئات الرمل الأصغر من عرض الفتحة. عندما يتدفق الماء من خلال الفتحات, يتم نقل جزيئات الرمل إلى الفتحة عن طريق تدفق المياه. بسبب التصادم والاحتكاك المتبادل بين جزيئات الرمل, يتم تشكيل جسر رملي ثابت عند فتحة الفتحة. يمكن للجسر الرملي أن يمنع مرور جزيئات الرمل الأصغر, وبالتالي تحقيق تأثير الاحتفاظ بالرمل. يرتبط تكوين الجسر الرملي بعرض الفتحة, حجم جزيئات الرمل, سرعة التدفق, وشكل الفتحات وترتيبها. يمكن أن يؤدي عرض الفتحة وترتيب الفتحة بشكل معقول إلى تعزيز تكوين جسر رملي مستقر, تحسين كفاءة التحكم في الرمال.

2.2.3 ترسيب الجسيمات

يشير ترسيب الجسيمات إلى العملية التي يتم فيها ترسب جزيئات الرمل بالقرب من فتحة الفتحة بسبب انخفاض سرعة التدفق. عندما يتدفق الماء من التكوين إلى حفرة البئر من خلال البطانة المشقوقة, تنخفض سرعة التدفق بشكل حاد عند فتحة الفتحة, مما يؤدي إلى ترسب جزيئات الرمل ذات الثقل النوعي الأكبر. تشكل جزيئات الرمل المترسبة كعكة مرشح بالقرب من جدار البطانة, والتي يمكن أن تزيد من تصفية جزيئات الرمل في تدفق المياه, تحسين تأثير التحكم في الرمال. ومع ذلك, سوف يؤدي ترسب الجسيمات المفرط إلى سد الفتحات, زيادة مقاومة التدفق وتقليل إنتاجية الماء. ولذلك, فمن الضروري التحكم في سرعة التدفق لتجنب ترسب الجسيمات المفرط.

2.3 مبادئ مقاومة التدفق للبطانات المشقوقة

تؤثر مقاومة التدفق للبطانات المشقوقة بشكل مباشر على إنتاجية المياه لآبار المياه. مقاومة التدفق للبطانات المشقوقة تأتي بشكل أساسي من مقاومة الاحتكاك بين تدفق الماء وجدار البطانة, المقاومة المحلية عند الفتحات, والمقاومة الناجمة عن ترسب جزيئات الرمل. يعد فهم مبادئ مقاومة التدفق أمرًا بالغ الأهمية لتحسين تصميم البطانات المشقوقة لتقليل مقاومة التدفق وتحسين أداء التدفق.

2.3.1 مقاومة الاحتكاك

مقاومة الاحتكاك هي المقاومة الناتجة عن لزوجة الماء وخشونة جدار البطانة. يمكن حساب مقاومة الاحتكاك باستخدام معادلة دارسي فايسباخ:

ح_ف = و × (ل/د) × (v²/(2ز)) (2.1)

أين: h_f هو فقدان الرأس الاحتكاكي (m); f هو عامل الاحتكاك; L هو طول البطانة المشقوقة (m); D هو القطر الداخلي للبطانة (m); v هو متوسط سرعة التدفق في البطانة (آنسة); g هو تسارع الجاذبية (م/ث²).

يرتبط عامل الاحتكاك f برقم رينولدز (يكرر) والخشونة النسبية (ه / د) من جدار الخطوط الملاحية المنتظمة. الخشونة النسبية ε/D هي نسبة الخشونة المطلقة لجدار البطانة (ه) إلى القطر الداخلي للبطانة (د). للبطانات ذات الجدران الناعمة (مثل بطانات الفولاذ المقاوم للصدأ), عامل الاحتكاك f صغير, ومقاومة الاحتكاك منخفضة. للبطانات ذات الجدران الخشنة (مثل بطانات الصلب الكربوني مع التآكل), عامل الاحتكاك f كبير, ومقاومة الاحتكاك عالية.

2.3.2 المقاومة المحلية في الفتحات

المقاومة المحلية عند الفتحات هي المكون الرئيسي لمقاومة التدفق للبطانات المشقوقة. عندما يتدفق الماء عبر الفتحات من التكوين إلى البطانة, يتغير اتجاه التدفق بشكل حاد, ويتم إنشاء الدوامات عند حواف الفتحة, مما يؤدي إلى فقدان الرأس المحلي. يمكن حساب خسارة الرأس المحلية عند الفتحات باستخدام المعادلة التالية:

ح_ي = ζ × (v_s²/(2ز)) (2.2)

أين: h_j هو فقدان الرأس المحلي في الفتحات (m); ζ هو معامل المقاومة المحلية; v_s هي سرعة التدفق عبر الفتحات (آنسة).

يرتبط معامل المقاومة المحلية ζ بشكل الفتحة, عرض فتحه, كثافة الفتحة, وسرعة التدفق. تتمتع الفتحات المستطيلة بمعامل مقاومة محلي أصغر من الفتحات المثلثة أو الدائرية. يمكن أن تؤدي زيادة عرض الفتحة وكثافة الفتحة إلى تقليل سرعة التدفق عبر الفتحات, وبالتالي تقليل فقدان الرأس المحلي.

2.3.3 المقاومة الناجمة عن ترسيب جزيئات الرمل

كما ذكرنا سابقا, سيؤدي ترسيب جزيئات الرمل بالقرب من فتحة الفتحة إلى تشكيل كعكة المرشح, مما يزيد من مقاومة التدفق. ترتبط المقاومة الناتجة عن ترسب جزيئات الرمل بسمك ونفاذية كعكة المرشح. كلما زادت سماكة كعكة الترشيح قلت نفاذيتها, كلما زادت مقاومة التدفق. للحد من هذه المقاومة, من الضروري تحسين معلمات التصميم للبطانة المشقوقة لتعزيز تكوين كعكة مرشح رقيقة وقابلة للاختراق.

2.4 تأثير عوامل التكوين على أداء التحكم بالرمال

لا يتأثر أداء التحكم في الرمال للبطانات المشقوقة بمعايير التصميم الخاصة بها فحسب، بل يتأثر أيضًا بمعلمات تكوين طبقة المياه الجوفية. تتضمن معلمات التكوين الرئيسية التي تؤثر على أداء التحكم في الرمال توزيع حجم الجسيمات لرمل التكوين, مسامية ونفاذية طبقة المياه الجوفية, وضغط التشكيل.

2.4.1 توزيع حجم الجسيمات لرمال التكوين

يعد توزيع حجم الجسيمات لرمال التكوين هو العامل الرئيسي الذي يحدد عرض فتحة البطانة المشقوقة. متوسط حجم الجسيمات (D50) ومعامل التوحيد (النحاس) تُستخدم عادةً لوصف توزيع حجم الجسيمات لرمال التكوين. معامل التوحيد Cu هو نسبة حجم الجسيمات المقابلة 60% عابر (d60) لحجم الجسيمات المقابلة 10% عابر (د10), أي., مع = d60/d10. للحصول على رمال تشكيل جيدة الفرز (النحاس < 2), توزيع حجم الجسيمات ضيق, ويمكن تحديد عرض الفتحة كما 1.5-2.0 مرات د50. لرمال التكوين سيئة الفرز (النحاس > 3), توزيع حجم الجسيمات واسع, وينبغي تحديد عرض الفتحة كما 2.0-2.5 مرات d50 لضمان تأثير التحكم في الرمال.

2.4.2 مسامية ونفاذية طبقة المياه الجوفية

تؤثر مسامية ونفاذية طبقة المياه الجوفية على سرعة تدفق المياه في تكوين وتكوين الجسور الرملية. تتمتع طبقات المياه الجوفية ذات المسامية والنفاذية العالية بإنتاجية عالية من المياه, ولكن سرعة التدفق مرتفعة أيضًا, وهو ما لا يفضي إلى تشكيل الجسور الرملية. في هذه الحالة, يجب زيادة كثافة الفتحة وعرض الفتحة بشكل مناسب لتقليل سرعة التدفق عبر الفتحات وتعزيز تكوين الجسور الرملية. تتميز طبقات المياه الجوفية ذات المسامية والنفاذية المنخفضة بإنتاجية منخفضة من المياه, وسرعة التدفق منخفضة, مما يفضي إلى تشكيل الجسور الرملية. ومع ذلك, لضمان عائد الماء, يجب ألا تكون كثافة الفتحة وعرض الفتحة صغيرًا جدًا.

2.4.3 ضغط التكوين

يؤثر ضغط التكوين على القوة الهيكلية للبطانة المشقوقة. سوف يسبب ضغط التكوين العالي ضغطًا كبيرًا على البطانة, مما قد يؤدي إلى تشوه البطانة أو تلفها. ولذلك, لطبقات المياه الجوفية ذات الضغط العالي, وينبغي اختيار بطانات مشقوقة ذات سماكة كافية ومواد عالية القوة. بالإضافة, ارتفاع ضغط التكوين سيزيد من سرعة تدفق الماء, وهو ما لا يفضي إلى تشكيل الجسور الرملية. ولذلك, يجب تحسين معلمات تصميم الفتحة للتكيف مع بيئة الضغط العالي.

3. معلمات التصميم الرئيسية للبطانات المشقوقة وتأثيرها

3.1 عرض فتحه

يعد عرض الفتحة أحد أهم معلمات التصميم للبطانات ذات الشقوق, مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة التحكم في الرمال وأداء التدفق. يجب أن يوازن اختيار عرض الفتحة بين تأثير التحكم في الرمال وقدرة التدفق.

3.1.1 التأثير على كفاءة التحكم في الرمال

كما ذكرنا سابقا, يتم تحديد كفاءة التحكم في الرمال للبطانات المشقوقة بشكل أساسي من خلال آليات الغربلة الميكانيكية وتشكيل جسر الرمل. يعد عرض الفتحة الأصغر مفيدًا للنخل الميكانيكي, والتي يمكنها الاحتفاظ بالمزيد من جزيئات الرمل. ومع ذلك, إذا كان عرض الفتحة صغيرًا جدًا, سيكون من الصعب على جزيئات الرمل أن تشكل جسرًا رمليًا مستقرًا, ويتم انسداد الفتحات بسهولة بجزيئات الرمل الناعمة, مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة التحكم في الرمال على المدى الطويل. يؤدي عرض الفتحة الأكبر إلى تكوين جسر رملي مستقر, ولكنها قد تسمح بمرور بعض جزيئات الرمل الناعمة, تقليل كفاءة التحكم في الرمال الأولية.

أظهرت الدراسات التجريبية أنه عندما يكون عرض الفتحة 1.5-2.5 أضعاف حجم الجسيمات المتوسطة (D50) من رمل التكوين, يمكن تحقيق أفضل كفاءة للتحكم في الرمال. على سبيل المثال, إذا كان d50 من رمل التكوين 0.2 مم, يجب تحديد عرض الفتحة بين 0.3 مم و 0.5 مم. في هذا النطاق, لا تستطيع البطانة الاحتفاظ بمعظم جزيئات الرمل من خلال النخل الميكانيكي فحسب، بل يمكنها أيضًا تشكيل جسر رملي ثابت لمنع جزيئات الرمل الناعمة.

3.1.2 التأثير على أداء التدفق

عرض الفتحة له تأثير كبير على مقاومة التدفق للبطانات المشقوقة. يمكن أن يؤدي عرض الفتحة الأكبر إلى زيادة مساحة تدفق الفتحات, تقليل سرعة التدفق من خلال الفتحات, وبالتالي تقليل فقدان الرأس المحلي. أظهرت النتائج التجريبية أنه عندما يزيد عرض الفتحة من 0.3 مم إلى 0.5 مم, يزيد معدل تدفق البطانة المشقوقة بحوالي 30-50% تحت نفس فرق الضغط. ومع ذلك, سيؤدي عرض الفتحة المفرط إلى تقليل القوة الهيكلية للبطانة, لذلك من الضروري تحديد الحد الأقصى لعرض الفتحة وفقًا لمادة البطانة وسمكها.

3.2 كثافة الفتحة

تشير كثافة الفتحة إلى عدد الفتحات لكل وحدة طول أو مساحة وحدة للبطانة المشقوقة, وهي معلمة تصميم مهمة أخرى تؤثر على أداء التدفق والقوة الهيكلية.

3.2.1 التأثير على أداء التدفق

يمكن أن تؤدي زيادة كثافة الفتحة إلى زيادة مساحة التدفق الإجمالية للفتحات, تقليل سرعة التدفق من خلال كل فتحة, وبالتالي تقليل فقدان الرأس المحلي وتحسين قدرة التدفق. على سبيل المثال, عندما تزيد كثافة الفتحة من 10 فتحات لكل متر ل 20 فتحات لكل متر, يزيد معدل تدفق البطانة المشقوقة بحوالي 20-30% تحت نفس فرق الضغط. ومع ذلك, الزيادة في كثافة الفتحة محدودة بالقوة الهيكلية للبطانة. ستؤدي كثافة الفتحات المفرطة إلى تقليل مساحة المقطع العرضي الفعالة لجدار البطانة, مما يؤدي إلى انخفاض كبير في القوة الهيكلية.

3.2.1 التأثير على القوة الهيكلية

تتناقص القوة الهيكلية للبطانة المشقوقة مع زيادة كثافة الفتحة. وذلك لأن الفتحات تقلل من مساحة التحمل الفعالة لجدار البطانة, ويزداد تركيز الضغط عند حواف الفتحة. تظهر نتائج تحليل العناصر المحدودة أنه عندما تزيد كثافة الفتحة عن حد معين (مثل 30 فتحات لكل متر ل 6 بطانة فولاذية Q355 بسمك مم مع 0.4 عرض الفتحة مم), إن الضغط الأقصى للبطانة تحت ضغط التكوين سوف يتجاوز قوة خضوع المادة, مما يؤدي إلى تشوه البلاستيك. ولذلك, يجب تحسين كثافة الفتحة بناءً على التوازن بين أداء التدفق والقوة الهيكلية.

3.3 شكل فتحة

تشمل أشكال الفتحات الشائعة للبطانات ذات الشقوق المستطيلة, الثلاثي, دائري, وشبه منحرف. أشكال الفتحات المختلفة لها تأثيرات مختلفة على كفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق, والقوة الهيكلية.

3.3.1 التأثير على كفاءة التحكم في الرمال

تتمتع الفتحات المستطيلة بأفضل كفاءة للتحكم في الرمال بين أشكال الفتحات الشائعة. وذلك لأن الفتحات المستطيلة لها فتحة مسطحة, مما يساعد على تشكيل جسر رملي مستقر. يكون الجسر الرملي المتكون عند فتحة الفتحة المستطيلة أكثر ثباتًا من ذلك الموجود عند فتحة الفتحة المثلثة أو الدائرية, والتي يمكن أن تمنع جزيئات الرمل الناعمة بشكل أفضل. تتميز الفتحات المثلثة بكفاءة منخفضة في التحكم في الرمال لأن فتحة الفتحة الضيقة يتم انسدادها بسهولة بواسطة جزيئات الرمل الناعمة. الفتحات الدائرية لها سطح داخلي أملس, وهو ما لا يفضي إلى تشكيل جسر رملي, لذا فإن كفاءة التحكم في الرمال تكون أيضًا أقل من تلك الموجودة في الفتحات المستطيلة.

3.3.2 التأثير على أداء التدفق

تتمتع الفتحات المستطيلة أيضًا بأداء تدفق جيد. إن فتحة الفتحة المسطحة للفتحات المستطيلة تقلل من مقاومة التدفق, ويكون توزيع سرعة التدفق عبر الفتحات أكثر اتساقًا. الفتحات الدائرية لها سطح داخلي أملس, والتي يمكن أن تقلل من مقاومة الاحتكاك بين تدفق المياه وجدار الفتحة, لكن مساحة تدفقها أصغر من مساحة الفتحات المستطيلة التي لها نفس عرض الفتحة, لذا فإن أداء التدفق الخاص بها يكون أسوأ قليلاً من أداء الفتحات المستطيلة. تتمتع الفتحات المثلثة بأسوأ أداء للتدفق بسبب فتحة الفتحة الضيقة والمقاومة المحلية الكبيرة.

3.3.3 التأثير على القوة الهيكلية

تتأثر القوة الهيكلية للبطانة المشقوقة أيضًا بشكل الفتحة. إن تركيز الضغط عند حواف الفتحة هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على القوة الهيكلية. تحتوي الفتحات المستطيلة ذات الزوايا الدائرية على أقل تركيز للضغط, بينما الفتحات المستطيلة ذات الزوايا الحادة لها أكبر تركيز للضغط. تتميز الفتحات المثلثة والدائرية بتركيز إجهاد معتدل. ولذلك, لتحسين القوة الهيكلية للبطانة المشقوقة, يوصى بفتحات مستطيلة ذات زوايا مستديرة.

3.4 ترتيب الفتحة

تتضمن ترتيبات الفتحات الشائعة للبطانات ذات الشقوق الترتيب المتوازي والترتيب المتدرج. ترتيبات الفتحات المختلفة لها تأثيرات مختلفة على أداء التدفق وكفاءة التحكم في الرمال.

3.4.1 التأثير على أداء التدفق

يتمتع ترتيب الفتحات المتداخلة بأداء تدفق أفضل من ترتيب الفتحات المتوازية. وذلك لأن الترتيب المتدرج يمكن أن يجعل تدفق الماء يدخل إلى البطانة بشكل أكثر انتظامًا, تقليل سرعة التدفق المحلي والتيار الدوامي. أظهرت النتائج التجريبية أنه تحت نفس عرض الفتحة وكثافة الفتحة, معدل تدفق البطانة ذات الشقوق مع ترتيب الفتحة المتدرج هو 10-15% أعلى من ذلك مع ترتيب الفتحة المتوازية. بالإضافة, يمكن للترتيب المتدرج أن يقلل من تآكل التكوين بالقرب من البطانة بسبب تدفق المياه, وهو ما يفيد استقرار التكوين.

3.4.2 التأثير على كفاءة التحكم في الرمال

يتمتع ترتيب الفتحات المتداخلة أيضًا بكفاءة أفضل في التحكم في الرمال مقارنة بترتيب الفتحات المتوازية. إن التوزيع الموحد لسرعة التدفق للترتيب المتدرج يفضي إلى تكوين جسر رملي مستقر عند كل فتحة فتحة. في المقابل, قد يتسبب ترتيب الفتحة المتوازية في توزيع غير متساوٍ لسرعة التدفق, مما أدى إلى ضعف تكوين الجسور الرملية عند بعض فتحات الفتحات وبالتالي تقليل كفاءة التحكم في الرمال.

3.5 سمك البطانة والمواد

يعد سمك البطانة والمواد من العوامل المهمة التي تؤثر على القوة الهيكلية وعمر الخدمة للبطانات المشقوقة.

3.5.1 التأثير على القوة الهيكلية

زيادة سماكة البطانة يمكن أن تحسن بشكل كبير القوة الهيكلية للبطانة المشقوقة. وذلك لأن البطانة السميكة لها مساحة تحمل فعالة أكبر, والتي يمكن أن تقلل من تركيز الإجهاد عند حواف الفتحة وتحسين مقاومة ضغط التكوين. تظهر نتائج تحليل العناصر المحدودة أنه عندما يزيد سمك البطانة من 4 مم إلى 8 مم, يتناقص الضغط الأقصى للبطانة المشقوقة تحت نفس ضغط التكوين بحوالي 40-50%. ومع ذلك, سيؤدي سمك البطانة المفرط إلى زيادة التكلفة وتقليل القطر الداخلي للبطانة, مما يؤثر على قدرة التدفق. ولذلك, يجب اختيار سمك البطانة بشكل معقول وفقًا لضغط التكوين ومواد البطانة.

3.5.2 التأثير على خدمة الحياة

تؤثر مادة البطانة بشكل مباشر على عمر خدمة البطانة المشقوقة. كما ذكرنا سابقا, يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة أفضل للتآكل من الفولاذ الكربوني, لذلك تتمتع بعمر خدمة أطول في بيئات المياه الجوفية المسببة للتآكل. تتمتع مواد FRP بمقاومة ممتازة للتآكل وخفيفة الوزن, لكن قوتها الميكانيكية أقل من قوة الفولاذ, لذلك فهي مناسبة فقط لطبقات المياه الجوفية ذات الضغط المنخفض. ولذلك, وينبغي اختيار مادة البطانة وفقا لنوعية المياه الجوفية وضغط التكوين.

4. طريقة التصميم الأمثل للبطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه

4.1 أهداف التحسين والقيود

يعد تحسين تصميم البطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه مشكلة تحسين متعددة الأهداف, والذي يهدف إلى تحقيق التوازن بين كفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق, والقوة الهيكلية. أهداف التحسين المحددة والقيود هي كما يلي:

4.1.1 أهداف التحسين

(1) تعظيم كفاءة التحكم في الرمال: تأكد من أن البطانة ذات الشقوق يمكنها الاحتفاظ بجزيئات رمل التكوين بشكل فعال, ومحتوى الرمل في المياه المنتجة أقل من الحد المسموح به (عادة 0.01-0.05%). (2) تعظيم قدرة التدفق: تقليل مقاومة تدفق البطانة المشقوقة, وتعظيم إنتاجية الماء تحت نفس فرق الضغط. (3) تعظيم القوة الهيكلية: تأكد من أن البطانة المشقوقة يمكنها تحمل ضغط التكوين وتجنب تشوه البلاستيك أو كسره أثناء الخدمة.

4.1.2 قيود التحسين

(1) قيود عرض الفتحة: يجب أن يكون عرض الفتحة بين 1.5-2.5 أضعاف حجم الجسيمات المتوسطة لرمل التكوين لضمان تأثير التحكم في الرمال. (2) قيود كثافة الفتحة: يجب ألا تتجاوز كثافة الفتحة الحد الأقصى المسموح به والذي تحدده القوة الهيكلية للبطانة. (3) قيود سمك الخطوط الملاحية المنتظمة: يجب أن يكون سمك البطانة كافياً لتحمل ضغط التكوين, ويجب ألا يتجاوز الضغط الأقصى للبطانة قوة خضوع المادة. (4) قيود التكلفة: التكلفة الإجمالية للبطانة فترة زمنية محددة (بما في ذلك التكلفة المادية, تكلفة التصنيع, وتكلفة التثبيت) ينبغي أن يكون ضمن الميزانية.

4.2 طريقة تحسين الاقتران متعدد العوامل

لتحقيق التحسين متعدد الأهداف للبطانات المشقوقة, طريقة تحسين اقتران متعدد العوامل تعتمد على التحليل النظري, المحاكاة العددية, ويقترح الاختبار التجريبي. الخطوات المحددة هي كما يلي:

4.2.1 التحليل النظري وتهيئة المعلمة

أولاً, على أساس توزيع حجم الجسيمات من الرمال التكوين, يتم تحديد القيمة الأولية لعرض الفتحة (1.5-2.5 مرات د50). وفقا لضغط التشكيل ومواد البطانة, يتم تحديد القيمة الأولية لسمك البطانة. بناءً على التوازن بين أداء التدفق والقوة الهيكلية, يتم تحديد القيمة الأولية لكثافة الفتحة. يتم تحديد شكل الفتحة في البداية على شكل فتحة مستطيلة ذات زوايا مستديرة, ويتم تحديد ترتيب الفتحة في البداية كترتيب متدرج.

4.2.2 المحاكاة العددية وتقييم الأداء

إنشاء نموذج العناصر المحدودة ونموذج CFD للبطانة المشقوقة لمحاكاة وتقييم القوة الهيكلية وأداء التدفق. (1) محاكاة القوة الهيكلية: استخدام برامج تحليل العناصر المحدودة (مثل أنسيس) لمحاكاة توزيع الضغط للبطانة المشقوقة تحت ضغط التكوين, وتحقق مما إذا كان الحد الأقصى للضغط يتجاوز قوة خضوع المادة. (2) محاكاة أداء التدفق: استخدم برنامج العقود مقابل الفروقات (مثل بطلاقة) لمحاكاة مجال التدفق حول البطانة المشقوقة, حساب معدل التدفق وانخفاض الضغط في ظل ظروف التدفق المختلفة, وتقييم مقاومة التدفق. (3) محاكاة كفاءة التحكم في الرمال: استخدم طريقة العناصر المنفصلة (ماركا ألمانيا) لمحاكاة حركة جزيئات الرمل بالقرب من البطانة المشقوقة, وتقييم كفاءة التحكم في الرمال.

4.2.3 الاختبار التجريبي والتحقق من صحة النموذج

تصنيع عينات الخطوط الملاحية المنتظمة فترة زمنية محددة وفقا لمعايير التصميم الأولية, وإجراء الاختبارات التجريبية للتحقق من نتائج المحاكاة العددية. (1) اختبار كفاءة التحكم في الرمال: استخدم جهاز اختبار التحكم بالرمل لاختبار محتوى الرمل في المياه المنتجة تحت ظروف تدفق مختلفة, والتحقق من كفاءة التحكم في الرمال. (2) اختبار أداء التدفق: استخدم جهاز اختبار التدفق لاختبار معدل التدفق وانخفاض الضغط لعينات البطانة المشقوقة تحت اختلافات الضغط المختلفة, والتحقق من أداء التدفق. (3) اختبار القوة الهيكلية: استخدم جهاز اختبار الضغط لاختبار الحد الأقصى للضغط الذي يمكن أن تتحمله عينات البطانة المشقوقة, والتحقق من القوة الهيكلية.

4.2.4 تحسين المعلمة والتكرار

مقارنة نتائج المحاكاة والتجريبية مع أهداف التحسين. إذا لم تتحقق الأهداف, ضبط معلمات التصميم (مثل عرض الفتحة, كثافة الفتحة, سمك الخطوط الملاحية المنتظمة) وكرر خطوات المحاكاة العددية والاختبار التجريبي حتى يتم تحقيق أهداف التحسين. يمكن مساعدة عملية التحسين من خلال خوارزميات التحسين (مثل الخوارزمية الجينية, خوارزمية تحسين سرب الجسيمات) لتحسين كفاءة التحسين.

4.3 إنشاء نموذج العناصر المحدودة للبطانات المشقوقة

أخذ البطانة الفولاذية المشقوقة Q355 المستخدمة في طبقة المياه الجوفية الرملية السائبة كمثال, تم تقديم إنشاء نموذج العناصر المحدودة. المعلمات الرئيسية للبطانة المشقوقة هي كما يلي: القطر الداخلي 200 مم, القطر الخارجي 212 مم (سمك الخطوط الملاحية المنتظمة 6 مم), عرض فتحه 0.4 مم, طول الفتحة 50 مم, كثافة الفتحة 20 فتحات لكل متر, شكل الفتحة مستطيل بزوايا مستديرة (نصف قطر الزاوية 0.1 مم), ترتيب فتحة متداخلة.

4.3.1 النمذجة الهندسية

استخدم برنامج ANSYS DesignModeler لإنشاء النموذج الهندسي ثلاثي الأبعاد للبطانة المشقوقة. يتضمن النموذج جسم البطانة والفتحات. لتبسيط النموذج, يتم توزيع الفتحات بالتساوي على جدار البطانة بترتيب متدرج. الميزات الصغيرة التي ليس لها تأثير يذكر على توزيع الضغط (مثل نتوءات عند حواف الفتحة) يتم تجاهلها.

4.3.2 جيل شبكي

استخدم برنامج ANSYS Meshing لإنشاء شبكة نموذج العناصر المحدودة. مع الأخذ في الاعتبار تركيز الإجهاد عند حواف الفتحة, تم تحسين الشبكة القريبة من الفتحات. نوع الشبكة هو عنصر رباعي السطوح, وحجم الشبكة بالقرب من الفتحات هو 0.5 مم, في حين أن حجم شبكة جسم البطانة هو 2 مم. بعد جيل الشبكة, يتم فحص جودة الشبكة. متوسط نسبة العرض إلى الارتفاع للشبكة هو 1.6, متوسط الانحراف هو 0.25, ومتوسط التعامد هو 0.75, والتي تلبي جميعها متطلبات حساب العناصر المحدودة. العدد الإجمالي لعناصر الشبكة هو 1,250,000, والعدد الإجمالي للعقد هو 2,180,000.

4.3.3 إعداد معلمة المواد

مادة البطانة المشقوقة هي فولاذ Q355, بكثافة 7850 كجم/م3, معامل المرونة 206 المعدل التراكمي, نسبة بواسون 0.3, قوة الخضوع 355 MPA, وقوة الشد 470-630 MPA.

4.3.4 ضبط حالة الحدود

تتعرض البطانة المشقوقة لضغط تشكيل موحد من الخارج. يتم ضبط ضغط التكوين على 5 MPA. تم تثبيت طرفي البطانة لمحاكاة حالة التثبيت الفعلية. إزاحة العقد النهائية في x, ذ, واتجاهات z مقيدة بالصفر.

4.4 تحليل المحاكاة للبطانات المشقوقة

باستخدام نموذج العناصر المحدودة المعمول به, تتم محاكاة وتحليل القوة الهيكلية وأداء التدفق للبطانة المشقوقة.

4.4.1 تحليل القوة الهيكلية

أظهرت نتائج تحليل القوة الهيكلية أن الضغط الأقصى للبطانة المشقوقة تحت ضغط التكوين يبلغ 5 الآلام والكروب الذهنية هي 286 MPA, والذي يقع في الزوايا الدائرية للفتحات. الحد الأقصى للضغط أقل من قوة الخضوع للفولاذ Q355 (355 MPA), مما يشير إلى أن البطانة المشقوقة تتمتع بقوة هيكلية كافية. توزيع الضغط على جسم البطانة موحد, والضغط على جسم البطانة على وشك 120-150 MPA, وهو أقل بكثير من قوة الخضوع للمادة.

لمزيد من التحقق من الاستقرار الهيكلي للبطانة المشقوقة, يتم إجراء تحليل التواء. تظهر نتائج تحليل الإبزيم ذات القيمة الذاتية أن أول ضغط انبعاج حرج للبطانة المشقوقة هو 18 MPA, الذي 3.6 مرات ضغط التكوين (5 MPA), مما يشير إلى أن البطانة المشقوقة تتمتع باستقرار هيكلي كافٍ.

4.4.2 تحليل أداء التدفق

استخدم برنامج Fluent لإنشاء نموذج CFD للبطانة المشقوقة. يشتمل النموذج على البطانة المشقوقة والسائل المحيط بها (المياه). يتم تعيين شروط الحدود على النحو التالي: حدود المدخل هي السطح الخارجي للبطانة المشقوقة, ويكون ضغط المدخل 5 MPA; حدود المخرج هي السطح الداخلي للبطانة المشقوقة, ويكون ضغط المخرج 0 MPA; يتم تعيين سطح جدار البطانة المشقوقة كحدود مانعة للانزلاق.

أظهرت نتائج تحليل أداء التدفق أن متوسط سرعة التدفق خلال الفتحات هو 1.2 آنسة, ومعدل التدفق الإجمالي للبطانة المشقوقة هو 120 م/ح. انخفاض الضغط في البطانة المشقوقة هو 0.8 MPA, والذي يقع ضمن النطاق المسموح به. توزيع سرعة التدفق عبر الفتحات موحد, ولا يوجد تيار إيدي واضح, مما يشير إلى أن البطانة المشقوقة تتمتع بأداء تدفق جيد.

4.4.3 تحليل كفاءة التحكم في الرمال

استخدم طريقة اقتران DEM-FLUENT لمحاكاة كفاءة التحكم في الرمل للبطانة المشقوقة. يتم تعيين جزيئات الرمل كجزيئات كروية ذات كثافة 2650 كجم/م3, وتوزيع حجم الجسيمات هو d10 = 0.1 مم, d50 = 0.2 مم, d60 = 0.3 مم (النحاس = 3). أظهرت نتائج المحاكاة أن محتوى الرمل في المياه المنتجة هو 0.02%, وهو أقل من الحد المسموح به 0.05%, مما يشير إلى أن البطانة المشقوقة تتمتع بكفاءة جيدة في التحكم في الرمال.

5. دراسة حالة هندسية للبطانات المشقوقة المُحسّنة للتحكم في الرمال في آبار المياه

5.1 نظرة عامة على المشروع

للتحقق من تأثير التطبيق العملي للبطانة المحسنة, تم اختيار مشروع التحكم في رمال آبار المياه في طبقة المياه الجوفية الرملية السائبة في شمال الصين كمثال. تقع منطقة المشروع في منطقة سهلة ذات موارد مائية جوفية وفيرة. طبقة المياه الجوفية عبارة عن طبقة مياه جوفية رملية فضفاضة يبلغ سمكها 30-50 m. توزيع حجم الجسيمات لرمل التكوين هو d10 = 0.15 مم, د50 = 0.25 ملم, د60 = 0.45 ملم (النحاس = 3). ضغط التكوين هو 4 MPA, والمياه الجوفية هي مياه عذبة ليس بها تآكل واضح.

ويبلغ عمق بئر المياه في المشروع 80 م والقطر الداخلي 250 مم. البئر كان في الخدمة ل 5 السنوات, وقد حدث إنتاج شديد للرمل في السنوات الأخيرة, مما أدى إلى تآكل المضخة الغاطسة وانخفاض كبير في إنتاج المياه (من 150 م³/ساعة إلى 80 م/ح). حل مشكلة إنتاج الرمل, تقرر اعتماد البطانة المحسنة لتحويل التحكم في الرمال.

5.2 تصميم وتحسين البطانات المشقوقة للمشروع

5.2.1 معلمات التصميم الأولي

بناء على التحليل النظري, يتم تحديد معلمات التصميم الأولية للبطانة المشقوقة على النحو التالي: مادة البطانة الفولاذ Q355, سمك الخطوط الملاحية المنتظمة 6 مم, القطر الداخلي 200 مم, القطر الخارجي 212 مم, عرض فتحه 0.4 مم (1.6 مرات د50), طول الفتحة 50 مم, كثافة الفتحة 20 فتحات لكل متر, شكل الفتحة مستطيل بزوايا مستديرة (نصف قطر الزاوية 0.1 مم), ترتيب فتحة متداخلة.

5.2.2 عملية التحسين

استخدام طريقة تحسين الاقتران متعدد العوامل المقترحة في الفصل 4, تم تحسين معلمات التصميم الأولية. أولاً, تم إنشاء نموذج العناصر المحدودة ونموذج CFD للبطانة المشقوقة لمحاكاة القوة الهيكلية, أداء التدفق, وكفاءة التحكم في الرمال. أظهرت نتائج المحاكاة أن أقصى ضغط للبطانة المشقوقة تحت ضغط التكوين هو 265 MPA (أقل 355 MPA), معدل التدفق هو 130 م/ح, ومحتوى الرمل في المياه المنتجة هو 0.03% (أقل 0.05%). نتائج المحاكاة تلبي أهداف التحسين, ولكن يمكن تحسين معدل التدفق بشكل أكبر.

لتحسين معدل التدفق, يتم زيادة كثافة الفتحة إلى 25 فتحات لكل متر, ويتم زيادة عرض الفتحة إلى 0.45 مم. تظهر نتائج المحاكاة بعد التحسين أن الحد الأقصى لضغط البطانة المشقوقة هو 312 MPA (لا يزال أقل من 355 MPA), معدل التدفق هو 155 م/ح, ومحتوى الرمل في المياه المنتجة هو 0.04% (لا يزال أقل من 0.05%). يتم تحقيق أهداف التحسين بالكامل, لذلك يتم تحديد معلمات التصميم النهائية على النحو التالي: مادة البطانة الفولاذ Q355, سمك الخطوط الملاحية المنتظمة 6 مم, القطر الداخلي 200 مم, القطر الخارجي 212 مم, عرض فتحه 0.45 مم, طول الفتحة 50 مم, كثافة الفتحة 25 فتحات لكل متر, شكل الفتحة مستطيل بزوايا مستديرة (نصف قطر الزاوية 0.1 مم), ترتيب فتحة متداخلة.

5.3 تركيب وبناء البطانات المشقوقة المحسنة

يتم تنفيذ تركيب وبناء البطانة المشقوقة المحسنة في الخطوات التالية:

(1) تنظيف جيد: استخدم أداة تنظيف البئر لإزالة الرمال والرواسب الموجودة في حفرة البئر لضمان التركيب السلس للبطانة المشقوقة.

(2) التصنيع المسبق للبطانة: يتم تصنيع البطانة المشقوقة مسبقًا في المصنع وفقًا لمعايير التصميم النهائية. تعتمد معالجة الفتحة تقنية القطع بالليزر لضمان دقة عرض الفتحة (خطأ ± 0.02 ملم) ونعومة حواف الفتحة.

(3) نقل الخطوط الملاحية المنتظمة وخفض: يتم نقل البطانة المشقوقة الجاهزة إلى موقع البناء ويتم إنزالها في حفرة البئر باستخدام رافعة. أثناء عملية التخفيض, يتم اتخاذ تدابير وقائية لتجنب الاصطدام وتلف البطانة.

(4) التثبيت والختم: يتم تثبيت البطانة المشقوقة في الموضع المحدد في حفرة البئر باستخدام أجهزة مركزية, ويتم سد الفجوة بين البطانة وحفرة البئر بالأسمنت لمنع دخول الرمل إلى حفرة البئر من الفجوة.

(5) اختبار اكتمال الآبار: بعد اكتمال التثبيت, يتم إجراء اختبار اكتمال البئر, بما في ذلك اختبار إنتاجية المياه, اختبار محتوى الرمال, واختبار الضغط, للتحقق من تأثير التحكم في الرمال وأداء التدفق للبطانة المشقوقة.

5.4 تقييم تأثير التطبيق

بعد الانتهاء من تحويل السيطرة على الرمال, بئر الماء كان في الخدمة ل 1 سنة, ويتم تقييم تأثير التطبيق من خلال المراقبة والاختبار في الموقع.

5.4.1 تقييم تأثير التحكم في الرمال

يتم اختبار محتوى الرمل في المياه المنتجة شهريًا. أظهرت نتائج الاختبار أن متوسط محتوى الرمال هو 0.03%, وهو أقل من الحد المسموح به 0.05%. خلال فترة الخدمة 1 سنة, لا يوجد تراكم واضح للرمال في حفرة البئر, وتعمل المضخة الغاطسة بشكل طبيعي دون تآكل. يشير هذا إلى أن البطانة المحززة المحسنة لها تأثير جيد للتحكم في الرمال.

5.4.2 تقييم أداء التدفق

ويتم اختبار إنتاجية المياه من البئر كل ثلاثة أشهر. تظهر نتائج الاختبار أن متوسط إنتاجية المياه هو 152 م/ح, وهو أعلى بكثير من إنتاجية الماء قبل التحول (80 م/ح) ويلبي متطلبات التصميم 150 م/ح. تم اختبار انخفاض الضغط للبطانة المشقوقة 0.7 MPA, والذي يقع ضمن النطاق المسموح به. يشير هذا إلى أن البطانة ذات الشقوق المحسنة تتمتع بأداء تدفق جيد.

5.4.3 تقييم المنافع الاقتصادية

يتم تقييم المنفعة الاقتصادية للمشروع من جوانب تكلفة التحول, تكلفة الصيانة, وزيادة إنتاجية المياه. النتائج تظهر ذلك: (1) التكلفة الإجمالية لتحويل البئر هي 80,000 يوان, بما في ذلك تكلفة البطانة ذات الشقوق المحسنة (50,000 يوان) وتكلفة التثبيت (30,000 يوان); (2) قبل التحول, تكلفة الصيانة السنوية للبئر (بما في ذلك استبدال المضخة الغاطسة وتنظيف الآبار) كان على وشك 40,000 يوان. بعد التحول, يتم تخفيض تكلفة الصيانة السنوية إلى 5,000 يوان, توفير 35,000 يوان في تكاليف الصيانة سنويا; (3) ارتفع إنتاج المياه بنسبة 72 م³/ساعة بعد التحول. على أساس سعر المياه 2 يوان/م³ ووقت التشغيل السنوي لـ 300 أيام (7200 ساعات), عائدات المياه الإضافية السنوية هي 72 × 7200 × 2 = 1,036,800 يوان. يُظهر الحساب الشامل أن فترة استرداد الاستثمار لمشروع تحويل التحكم في الرمال على وشك الانتهاء 0.08 السنوات (أقل 1 شهر), والتي لها فوائد اقتصادية كبيرة.

بالإضافة, تتميز البطانة المشقوقة المحسنة بمتانة جيدة. خلال فترة الخدمة 1 سنة, لا تآكل, تشوه, أو تم العثور على تلف في البطانة, مما يقلل من تكرار صيانة الآبار ويحسن الفوائد الاقتصادية للمشروع. كما يوفر التطبيق الناجح للبطانة المحززة المحسنة في هذا المشروع مرجعًا لتحويل التحكم في الرمال في آبار المياه المماثلة في المنطقة., والتي لها قيمة ترويجية معينة.

6. الاستنتاج والتوقعات

6.1 الاستنتاجات الرئيسية

تركز هذه الورقة على التصميم الأمثل للبطانات المشقوقة للتحكم في الرمال في آبار المياه, ويجري بحثًا متعمقًا على الأساس النظري, معلمات التصميم الرئيسية, طرق التحسين, المحاكاة العددية, والتطبيق الهندسي. ويتم تلخيص الاستنتاجات الرئيسية على النحو التالي:

(1) يتأثر أداء التحكم في الرمل للبطانات المشقوقة بشكل شامل بخصائص مواد البطانة, آليات الاحتفاظ بالرمل (الغربلة الميكانيكية, تشكيل جسر الرمل, ترسب الجسيمات), مبادئ مقاومة التدفق (مقاومة الاحتكاك, المقاومة المحلية عند الفتحات, مقاومة ترسب الرمال), ومعلمات التكوين (توزيع حجم جزيئات الرمل, مسامية ونفاذية طبقة المياه الجوفية, ضغط التكوين). فيما بينها, يحدد متوسط حجم الجسيمات لرمل التكوين النطاق المعقول لعرض الفتحة, وضغط التكوين هو العامل الأساسي الذي يؤثر على اختيار مادة البطانة وسمكها.

(2) معلمات التصميم الرئيسية للبطانات ذات فترة زمنية محددة (عرض فتحه, كثافة الفتحة, شكل الفتحة, ترتيب الفتحة, سمك البطانة والمواد) لها تأثيرات اقتران كبيرة على كفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق والقوة الهيكلية. تعتبر الفتحات المستطيلة ذات الزوايا الدائرية والترتيب المتدرج اختيارات مثالية لتحقيق التوازن بين تأثير التحكم في الرمال وأداء التدفق; يجب التحكم في عرض الفتحة بالداخل 1.5-2.5 أضعاف حجم الجسيمات المتوسطة (D50) من رمل التكوين, ويجب تحسين كثافة الفتحة بناءً على حد القوة الهيكلية لمادة البطانة.

(3) طريقة تحسين الاقتران متعدد العوامل تدمج التحليل النظري, ويقترح المحاكاة العددية والاختبار التجريبي. يمكن لهذه الطريقة أن توازن بشكل فعال بين الأهداف الأساسية الثلاثة لكفاءة التحكم في الرمال, أداء التدفق والقوة الهيكلية. يمكن لنموذج العناصر المحدودة الذي أنشأته ANSYS ونموذج CFD الذي أنشأته Fluent أن يحاكي بدقة توزيع الضغط الهيكلي وخصائص مجال التدفق للبطانات المشقوقة, توفير أساس تقني موثوق لتحسين المعلمة.

(4) يوضح التحقق من الحالة الهندسية أن البطانة المحسنة المصممة بالطريقة المقترحة لها تأثيرات تطبيقية عملية ممتازة. بعد تحويل بئر الماء إلى طبقة المياه الجوفية الرملية السائبة, متوسط محتوى الرمل في المياه المنتجة هو 0.03% (أقل من الحد المسموح به 0.05%), يتم زيادة إنتاجية المياه من 80 م³/ساعة إلى 152 م/ح, وفترة استرداد الاستثمار أقل من 1 شهر. ولها فوائد اقتصادية كبيرة وقيمة ترويجية لمشاريع مماثلة.

6.2 حدود البحث

على الرغم من أن هذه الورقة قد حققت نتائج بحثية معينة, لا تزال هناك بعض القيود التي تحتاج إلى تحسين في البحوث المستقبلية:

(1) يركز نطاق البحث بشكل أساسي على طبقات المياه الجوفية الرملية السائبة وطبقات المياه الجوفية الحصوية, وأبحاث القدرة على التكيف للبطانات المشقوقة في طبقات المياه الجوفية الخاصة (مثل طبقات المياه الجوفية المكسورة, طبقات المياه الجوفية الكارستية) غير كاف. تختلف آلية التحكم في الرمال ومتطلبات معلمات التصميم للبطانات المشقوقة في طبقات المياه الجوفية الخاصة تمامًا عن تلك الموجودة في طبقات المياه الجوفية الرملية السائبة, والتي تحتاج إلى مزيد من الاستكشاف.

(2) تم إجراء المحاكاة العددية والاختبار التجريبي في هذا البحث في ظل ظروف التكوين الثابت. في الهندسة الفعلية, قد يكون للتشكيل تغييرات ديناميكية (مثل تسوية التكوين, تقلب مستوى الماء), مما سيؤثر على أداء الخدمة على المدى الطويل والاستقرار الهيكلي للبطانات المشقوقة. لا توجد أبحاث ذات صلة حول قدرة البطانات المشقوقة المُحسّنة على التكيف مع ظروف التكوين الديناميكي.

(3) تعتمد طريقة تحسين الاقتران متعدد العوامل المقترحة في هذه الورقة على التكرار اليدوي والتحقق إلى حد ما. تكامل خوارزميات التحسين الذكية (مثل الخوارزمية الجينية, تحسين سرب الجسيمات) ونماذج المحاكاة العددية لم تتحقق بالكامل, مما أدى إلى محدودية كفاءة التحسين.

6.3 آفاق البحوث المستقبلية

في ضوء القيود البحثية واحتياجات التطوير لتكنولوجيا التحكم في رمال آبار المياه, وتقترح اتجاهات البحث المستقبلية على النحو التالي:

(1) توسيع نطاق البحث ليشمل طبقات المياه الجوفية الخاصة. إجراء بحث متعمق حول آلية التحكم في الرمال للبطانات المشقوقة في طبقات المياه الجوفية المكسورة وطبقات المياه الجوفية الكارستية, إنشاء نماذج تحسين التصميم المستهدفة, وتحسين قدرة تكنولوجيا التحكم في رمل البطانة المشقوقة على التكيف مع أنواع مختلفة من طبقات المياه الجوفية.

(2) تعزيز البحث في ظروف التكوين الديناميكي. من خلال المحاكاة الفيزيائية الداخلية والمحاكاة العددية, محاكاة التغيرات الديناميكية للتشكيل (مثل تسوية التكوين, تقلب مستوى الماء), دراسة أداء الخدمة على المدى الطويل والاستقرار الهيكلي للبطانات المشقوقة في ظل الظروف الديناميكية, واقتراح استراتيجيات التعزيز والصيانة المقابلة.

(3) تطوير نظام تصميم ذكي للبطانات ذات الشقوق. دمج خوارزميات التحسين الذكية, برامج المحاكاة العددية وقاعدة البيانات الهندسية لبناء منصة تصميم ذكية. تحقيق المطابقة التلقائية وتحسين معلمات التصميم وفقًا لظروف التكوين والمتطلبات الهندسية, وتحسين كفاءة التصميم والموثوقية.

(4) اكتشف مواد جديدة وهياكل جديدة للبطانات المشقوقة. بحث وتطوير المواد المركبة عالية الأداء (مثل المركبات المقواة بألياف الكربون) مع مقاومة أفضل للتآكل والخواص الميكانيكية; استكشاف هياكل فتحة جديدة (مثل الفتحات ذات العرض المتغير, فتحات منحنية) لزيادة تحسين كفاءة التحكم في الرمال وأداء التدفق.

(5) تعزيز المراقبة في الموقع على المدى الطويل وتراكم البيانات. قم بإجراء تتبع ومراقبة لآبار المياه على المدى الطويل باستخدام بطانات مشقوقة محسنة, جمع البيانات عن محتوى الرمال, محصول الماء, حالة الخطوط الملاحية المنتظمة والمؤشرات الأخرى, إنشاء قاعدة بيانات للأداء طويل المدى, وتوفير دعم البيانات للتحسين المستمر والتحسين لتقنية تصميم الخطوط الملاحية المنتظمة.