книги из ГПНТБ / Сооружение высокодебитных водозаборных и дренажных скважин

СООРУЖ ЕНИЕ ВЫСОКОДЕБИТНЫХ

ВОДОЗАБОРНЫ Х И Д РЕ Н А Ж Н Ы Х СКВАЖ И Н

П о д р е д а к ц и е й доктора технических наук В. М. ГАВРИЛКО

МОСКВА «КОЛОС» 1974

631.G

С 63

УДК 631.672.122

А В Т О Р Ы : доктор технических наук В. М. Гаврилко. кандидаты технических паук В. С. Алексеев п /1. Я. Гуркин,

инженеры Н. Д. Бессонов. А. Я. Ншцименко, В. Л. Слчнко и В. П. Ткаченко.

ЭКЗЕМПЛЯР $ ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА >

А. Я. Гуркин и др.

Содержит сведения о конструкциях установок, которые применя­ лись для бурения скважин большого диаметра за последние годы (1967—1972), а также рекомендации по технологии бурения, выбору и расчету фильтров, по подбору гравийных обсыпок и технологии их устройства.

Обобщен опыт бурения скважин различного целевого назначения в республиках Советского Союза с указанием экономической эффек­ тивности от внедрения роторного способа бурения скважин с обратной промывкой.

С------------------49—74 035 (01)—74

© Издательство «Колос», 1974

В В Е Д Е Н И Е

Планом ^развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. предусмотрено интенсивное использова­ ние подземных вод для городского, сельскохозяйствен­ ного и промышленного водоснабжения, орошения с за­ бором воды в основном из скважин. При сооружении глубоких строительных котлованов, устройстве верти­ кального дренажа, защите территорий от подтопления, осушении угольных и рудных месторождений также ис­ пользуют скважины.

Водозаборные и дренажные скважины должны быть высокодебитными и эффективными в эксплуатации.

При сооружении высокодебитных скважин увеличи­ вается общий и удельный дебит, сокращается их число на единицу площади при орошении и дренаже, умень­ шаются число насосных установок и затраты на устрой­ ство оголовков и подвод электроэнергии, а также на обслуживание скважин.

Сооружение высокодебитных скважин возможно лишь в благоприятных гидрогеологических условиях: при большой мощности водоносных горизонтов, высоких коэффициентах фильтрации, хорошем восполнении за­ пасов ©оды. В 'неблагоприятных условиях (малая мощность воп'онооных горизонтов, представленных мелкозернистыми фракциями песков, небольшие коэф­ фициенты фильтрации, переслаивание водоносных пород глинами и суглинками) сооружаемые с прямой про­ мывкой забоя глинистым раствором скважины, как правило, бывают малодебитными. В таких условиях изме­ нение способа бурения позволяет увеличить в несколь­ ко раз дебит скважин, что представляет большой прак­ тический интерес.

Как показал опыт, увеличение дебита достигается при бурении скважин большого диаметра, оборудован­ ных фильтрами гравийного типа.

При эксплуатации скважин установлено, что про­ должительность' их работы зависит от химического со-

3

става подземных вод, количества отбираемой воды, кон­ струкций фильтров и условий эксплуатации. Наиболее продолжительной работоспособностью при минимальных входных сопротивлениях обладают скважины, оборудо­ ванные фильтрами гравийного типа. Сооружение таких скважин возможно только при бурении большими диа­ метрами (от 500 мм и более), для чего применяют свар­ ные, безмуфтовые трубьт.

Высокодебитные скважины следует оборудовать фильтрами малых входных сопротивлений на основе каркасов большой скважности с мощным контуром гра­ вийной обсыпки. Такие сківажіины (D='520—720 мм) институт Водгео начал в 1948 г. бурить ударным способом на водозаборах химических промышленных ■предприятий г. Дзержинска Горьковской области. При обсадке стволов скважин сварными трубами применяли редукторные лебедки и впервые в нашей стране были предложены и внедрены каркасио-стержневые фильтры со скважностью 50—60%.

Массовое бурение скважин большого диаметра с ус­ тановкой фильтров гравийного типа началось в 1951— 1953 гг. в связи со строительством Куйбышевской и Волгоградской ГЭС. Здесь разработка котлованов под здание ГЭС, водосливные плотины и шлюзы проходила под защитой водопоиизителыіых скважин. Сооружали их гидравлическим способом с применением мощных вибраторов (гидровибробурение).

Основной недостаток указанных выше способов бу­ рения — повышенный расход труб больших диаметров.

В 1939—1940 гг. за рубежом появились сообщения о новом методе бурения скважин роторным способом с обратной промывкой. Позднее с этими установками оз­ накомились в полевых условиях советские специалисты, выезжавшие в ФРГ, ГДР и другие страны.

Преимущества роторного способа с обратной промыв­ кой заключаются в следующем:

бурение скважин диаметром от 500 до 1200 мм не требует крепления ствола обсадными трубами;

скорость бурения по сравнению с ударно-канатным способом увеличивается в 10—45 раз;

исключены трудоемкие операции по посадке, извле­ чению, сварке и резке обсадных труб;

глинистый раствор заменяют водой, в результате че­ го не происходит кольматации стенок и в 4—8 раз уве­

4

личивается производительность по сравнению со сква­ жинами, пробуренными с глинистой промывкой и в 1,5—• 2 раза ■— с пробуренными ударным способом;

обеспечивается надежное устройство гравийных об­ сыпок, большой приток воды к скважинам и снижается вероятность пескования;

минимальный объем извлекаемой при бурении из за­ боя породы предупреждает ее смещение по вертикали, что предотвращает снижение проницаемости водонос­ ных пород на участке установки фильтров.

Несмотря на указанные преимущества, бурение скважин на воду в осадочных породах роторным спосо­ бом с обратной промывкой забоя в течение длительно­ го времени не было распространено. Известны лишь единичные случаи применения этого способа в комби­ нации с другими. Например, обратную промывку в ком­ бинации с прямой применял трест «Союзшахтоосушение» при сооружении водопонижающпх скважин глубиной 230—280 м на Белозерском железорудном место­ рождении. Работы выполнялись станком БУ-75. До водосодержащих песков проходку ствола проводили ро­ торным способом с прямой промывкой, а вскрытие во­ досодержащих пород и проходку ствола на участке ус­ тановки фильтра — роторным с обратной промывкой забоя чистой водой и удалением породы эрлифтом. Даже такая комбинация способов давала большой экономи­ ческий эффект, потому что снижала затраты на соору­ жение скважин (за счет исключения работ по разглинизации), а также в значительной степени улучшала экс­ плуатационные показатели.

Широкое распространение роторного способа буре­ ния с обратной промывкой забоя началось в 1966 г. в Украинской ССР*.

Управлением службы эксплуатации защитных соору­ жений на Каховском водохранилище в декабре 1966 г. пробурены две опытные скважины диаметром 1000 мм при помощи станка УРБ-ЗАМ, переоборудованного под обратную промывку, а с 1967 по 1971 г. организациями Министерства мелиорации и водного хозяйства УССР пробурено 518 скважин глубиной от 20 до 86 м.

* Рационализаторское предложение В. М. Гаврплко, В. М. Кавацгока и В. А. Мерщня «Навесное оборудование к станкам УРБ-ЗАМ для бурения скважин большого диаметра методом обратной про­ мывки чистой водой».

5

ГЛАВА I

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СКВАЖИНАМ НА ВОДУ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ДРЕНАЖА, ОРОШЕНИЯ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Основным критерием, предопределяющим целесооб­ разность заложения скважин на тот или иной водонос­ ный горизонт, является возможность отбора из него не­ обходимого количества воды или создания требуемого понижения уровня. При этом конструкция скважины должна надежно обеспечивать ее работу с заданным дебитом (динамическим понижением) в течение всего расчетного периода эксплуатации. Местоположение и конструкцию водозаборной скважины следует выбирать, исходя из геологического строения (стратиграфии, лито­ логии, тектоники), а также условий и глубины залега­ ния подземных вод, состава и фильтрационных свойств водоносных пород, характера взаимосвязи водоносных горизонтов и их режима в сезонном и многолетнем раз­ резе.

Во всех случаях водоприемная способность скважин, помимо других факторов, в значительной степени зави­ сит от способа бурения.

Конструкция скважины определяется заданным деби­ том и глубиной, а также типом водоподъемника и по­ верхностным устройством устья скважины.

Если для отбора заданного количества воды или соз­ дания необходимого понижения уровня грунтовых вод на орошаемых площадях предусмотрена группа взаимо­ действующих скважин, их конструкции должны обес­ печивать наибольшую водозахватную способность и на­ дежность в эксплуатации. Только при выполнении этих условий поставленную задачу можно решить минималь­ ным числом скважин.

Водозахватная способность скважины зависит от спо­ соба бурения, ее диаметра, диаметра и длины фильтра, его конструкции; мощности контура гравийной обсыпки; сохранения естественных фильтрационных свойств водо­ носных пород в'прифильтровой зоне.

При сооружении скважин на воду в основном приме­ няют два способа бурения: роторный и ударный.

7

Роторное бурение позволяет ускорить проходку скважин и до минимума снизить расход обсадных труб. Однако использование глинистого раствора в качестве промывочной жидкости резко ухудшает фильтрацион­ ные свойства пород в прифильтровых зонах и снижает производительность скважин. Существующие методы разглииизацни еще недостаточно эффективны и весьма трудоемки.

При ударном бурении скорость проходки скважин невелика. По данным буровых трестов («Промбурвод» Мпнмонтажспецстроя СССР, «Укрбурвод», «Промбур­ вод» БССР), выработка на один станок УКС-22, УКС-30 составляет 500—600 м в год. Конечный диаметр буре­ ния 400 мм.

При бурении скважин большого диаметра с приме­ нением сварных безмуфтовых труб и без того низкие скорости ударно-канатных станков снижаются в не­ сколько раз. При ударно-канатном бурении ввиду ма­ лого выхода колонн обсадных труб (20—35 мм) при глубинах скважин до 100 м и более диаметры скважин сильно уменьшаются, что исключает возможность созда­ ния вокруг фильтра контура гравийной обсыпки требу­ емой мощности.

В отечественной практике для бурения бкважин ро­ торным способом с прямой промывкой применяются станки УРБ-2А, УРБ-ЗАМ и 1БА-15В и др. Этими стан­ ками бурят разведочные скважины при помощи шаро­ шечных долот с промывкой забоя глинистым раствором. Раствор на забой подают по штангам диаметром 50; 60,3; 73 мм с применением насосов 11 Гр производитель­ ностью 5 л/с, 9 Гр производительностью 17 л/с и др. Для удаления породы из забоя она должна быть раз­ дроблена до величины 5 мм. Глинистый раствор, омывая долото, транспортирует шлам из забоя на поверх­ ность со скоростью до 0,8 м/с. Учитывая малый конеч­ ный диаметр скважин, бурение ведут при большом чис­ ле оборотов ротора.

Циркуляция промывочной жидкости при прямой про­ мывке забоя происходит следующим образом. Из от­ стойника жидкость подается насосом по шлангам и буровым штангам на забой. Разбуренная порода захваты­ вается раствором и, поднимаясь на поверхность по про­ странству между стенкой скважины и бурильной колон­ ной, сбрасывается в отстойник. Раствор, очищенный от

8

Sh

?

ж

Рис. 1. Схема роторного бурения скважин с прямой промывкой забоя:

/ — долото; 2 — бурильная труба; 3 — ротор; 4 — вертлюг; 5 — гибким шланг; ö — насос; 7 — промывочная жидкость; 8 — отстойник.

бурового шлама, закачивается на забой скважины, пос­ ле чего процесс вновь повторяется. Схема установки с прямой промывкой приведена на рисунке 1.

Для роторного бурения скважин с обратной промыв­ кой в качестве бурильных штанг применяют толстостен­ ные цельнотянутые трубы диаметром от 100 до 200 мм. Ствол буримой скважины соединяется с отстойником при помощи трубы или канавы, что обеспечивает сво­ бодное перетекание воды по принципу сообщающихся сосудов. Для того чтобы удержать породы в незакреп­ ленном стволе от обвала, столб воды, находящийся в скважине, должен иметь высоту не менее 3 м над ста­ тическим уровнем.

Разработка пород в забое ведется долотом со скоро-- стыо вращения ротора от 10 до 65 об/мин.

9