10.1. Расчет и конструирование основных элементов скважины

Расчету водоприемной части скважин (фильтров) и подбору насосов первого подъ­ема должны предшествовать конструирование скважин, и взаимоувязка всех ее основ­ных строительно-монтажных, и эксплуатационных элементов с учетом выбранного спо­соба бурения. Пример конструирования скважин ударного и роторного бурения с разме­щением фильтров и насосов в эксплуатационной колонне приведен на рис. 1.8 и в табл. 1.6.

Одним из самых важных элементов скважины является фильтр, предотвращающий вынос водоносной породы в эксплуатационную колонну и предохраняющий водопри­емную часть ствола от разрушения.

Ко всем конструкциям фильтров водозаборных скважин должны предъявляться следующие основные требования:

- обеспечение проектного поступления воды в скважину при минимально возмож­ных гидравлических сопротивлениях, на весь расчетный период эксплуатации (не менее 25 лет)

• достаточная механическая и химическая прочность, включая периоды периодиче­ского импульсивного воздействия для разрушения кольматирующих отложений и реге­нерации водоприемной поверхности химическими реагентами;

• предотвращение попадания в эксплуатационную колонну частиц водосодержащей породы (продуктов солевых отложений и коррозии);

• удовлетворение санитарно-гигиеническим нормам для питьевого водоснабжения;

• ремонтопригодность и экономичность.

На практике применяют щелевые, дырчатые, проволочные, сетчатые, гравийные и блочные фильтры (рис.10.3). Фильтр состоит из рабочей (водоприемной) части, надфильтровой трубы и отстойника. Каркасы фильтров изготавливают из стальных труб с анти­коррозионным покрытием или других высокопрочных материалов, стойких к коррозии и не токсичных по отношению к воде.

Рис. 10.3 Конструк­ции фильтров во­дозаборных сква­жин:

а - сетчатый; б - гра-вийно-обсыпный; в -гравийно- кожуховый; г - полимер-бе­тонный; д - с пено-полистирольный об­сыпной; е - зонтич­ный с плавающей обсыпкой

Рис. 10.4 Схема конструктивных размеров элементов водозаборной скважины: а - ударного бурения; б - роторного бурения: 1 - извлекаемая колонна обсадных труб; 2 -защитная колонна обсадных труб; 3 - эксплуатационная

колонна обсадных труб; 4 - фильтрующая поверхность; 5 - отстойник с пробкой; 6 - надфильтровая труба; 7 - сальник; 8 - водоподъемник; 9 - водоподъемная труба;

10 - направляющая труба; 11 - цементация затрубного пространства

Условные обозначения к рис. 10.4

Таблица10.2

Обозначе- ния на рис. 10.4	Наименование	Размеры
l1	Глубина погружения первой колонны обсадных труб при ударном бурения	30-50 м
l2	Выход новой колонны из под башмака преды­дущей	30-50 м
l3	Выход последней колонны обсадных труб из под башмака предыдущей	В скважинах со сменяе­мыми фильтрами l3 ≈ 20-30 м
l4	Заход надфильтровой трубы в эксплуатацион­ную колонну обсадных труб	3-5 м
L5	Длина отстойника фильтра	От 0,5 до 2-3 м
L6	Расстояние от кромки фильтрующей поверхно­сти до границ слоя глин	≥ 1,0 м
l7	Глубина погружения насоса под динамический уровень	Зависит от типа насоса
l8	Расстояние от поверхности земли до динамиче­ского уровня	-
lф	Рабочая длина фильтра	-
Dф	Наружный диаметр фильтра	Определяется по расчету
Dэ	Внутренний диаметр эксплуатационной колон­ны обсадных труб	Dэ = Dф + (50...100мм), (100 мм для гравийно-кожуховых фильтров)
Dд	Диаметр долота для разбуривания роторным способом скважины под трубу D,	Dф ≥ Dэ + 95 мм
Dн	Внутренний диаметр направляющей трубы	Dн ≥ Dэ + 100 мм
D2	Внутренний диаметр защитной колонны обсад­ных труб	D2 = D+(50...I00mm) (100 мм при557 мм)
D1	Внутренний диаметр первой колонны обсадных труб	D1 = D2+(50...100мм)
δ1	Зазор на каждую сторону между фильтром и эксплуатационной колонны	δ1=( Dэ - Dф)/2
δ2	Зазор между наружным диаметром водоподъ­емника и внутренним диаметром эксплуатаци­онной колонны	δ2=(Dэ – Dнас)/2; при l8 ≤ 20 м, δ2 > 10 мм; при l8 ≤ 20м, δ2>25 мм

Следует отметить, что изготовление фильтров буровых скважин из стальных обсад­ных труб требует больших затрат ручного труда, до 30% материала уходит в отходы пер­форации их поверхности.

Стальные фильтры подвержены коррозии, а полиэтиленовые и полихлорвиниловые имеют недостаточные прочностные свойства. Поэтому в практике сооружения скважин перспективны в более широком применении стеклопластиковые фильтры, изготавлива­емые методом косой-перекрестной намотки на гладкой цилиндрической оправке. Диа­метр отверстий между наматываемыми жгутами регулируют при навивке в пределах от 0,5 до 5 мм. Использование в качестве связующих веществ эпоксидного компаукда в со­ставе эпоксидной смолы, ЭД16 (ЭД20), полиэтиленполиамина и ацетона позволяет со­здать химически и механически стойкую, с низким водопоглощением, технологичную в изготовлении поверхность фильтров (табл. 10.3).

Технические характеристики фильтров

Таблица 10.3

Показатели	Внутренний диаметр фильтра, мм
	168	273	377	426
Толщина стенки, мм	12-15	12-15	15-20	15-20
Диаметр отверстий между жгутами, мм	0,5-5,0	0,5-5,0	0,5-5,0	0,5-5,0
Длина звена фильтра, мм	3400	3400	3400	3400
Масса 1 м погонной длины фильтра, кг	16,4	25,3	32,7	37,3
Скважность фильтров,%	30-60	30-60	30-60	30-60

По данным разработчиков, суммарное сопротивление ζ₂, характеризующее несо­вершенство скважин по характеру вскрытия водоносного пласта, в 12-14 раз ниже по сравнению с сетчатыми металлическими фильтрами. Такие фильтры значительно легче металлических, не поддаются электрохимическому зарастанию.

Большое значение для последующей надежности эксплуатации имеет выбор типа и конструкции фильтра, когда предусмотрен водозабор из мелкозернистых песчаных во­доносных пластов. Обсыпкой для таких фильтров обычно служат гравий и крупный пе­сок определенного гранулометрического состава.

Применение этих обсыпных материалов имеет ряд существенных недостатков: они "зависают" в скважине при засыпке, невозможно извлечь каркас фильтра при ремонте и др. Таких недостатков лишена обсыпка из гранул полу-вспененного пенополистирола с плотностью 0,2-0,8 т/м³. Как показали исследования, выполненные в Украинском инсти­туте инженеров водного хозяйства, пенополистирольная обсыпка более индустриальна и надежна в эксплуатации по сравнению с гравийной и позволяет увеличить входную скорость. Рабочую водоприемную часть фильтра рекомендуют располагать напротив наиболее водопроницаемых грунтов.

При необходимости замены фильтра плавающая обсыпка с плотностью гранул 0,2-0,8 т/м³ может быть легко вымыта на поверхность земли.

Благодаря своей плавучести она не «зависает» в затрубном пространстве, хорошо заполняет все каверны в прифильтровой зоне, химически стойкая, обеспечивает высо­кую пропускную способность из-за шаровидной и стекловидной поверхности. При за­боре воды из тонкозернистых песков рекомендованы зонтичные пенополистирольные

фильтры, состоящие из трубчатого каркаса со щелевой перфорацией (длина щели 40 мм, ширина 2,0 мм) зонтиков с двухслойной обсыпкой общей толщиной до 60 мм. Угол зон­тиков принимают равным 15-20°.

Водоприемная поверхность фильтров водозаборных скважин соединяется через надфильтровую трубу с помощью сальника с эксплуатационной колонной. Длину рабо­чей водоприемной части фильтра принимают в пластах с мощностью более 10 м равной:

, м, (1.17)

а в пластах с мощностью менее 10 м - на 1-2 м меньше мощности пласта.

Диаметр фильтра (по водоприемной поверхности) определяется по формуле:

м, (1.18)

где Q_max - максимальный расход воды, забираемой из скважины, м'/сут; ν_ф - входная скорость фильтрации воды на границе пласт - водоприемной поверхность, м/сут. Для дырчатых, щелевых, проволочных, сетчатых фильтров:

, м/сут. (1.19)

Для гравийных, зонтичных, блочных фильтров:

, м/сут (1.20) где d₅₀, Д₅₀ - соответственно 50%-ный диаметр частиц водоносной породы и зерен об­сыпки фильтрующей колонны, мм.В последние годы в Белоруссии успешно внедряются удовлетворяющие перечис­ленным выше требованиям кольцевые полимерные фильтры, изготовленные из термо­пластичных материалов (полипропилен и полиэтилен). Конструктивные параметры та­ких фильтров, изготовляемых путем набора на стальные стержни колец с продольными щелями клиновидного поперечного сечения, сужающихся в направлении внутрь фильт­ра, приведены в таблице 10.4.

Конструктивные размеры и характеристики фильтров ФПК Таблица 10.4

Тип фильтров	Диаметры, мм		Длина секции, мм	Ширина щели, мм	Масса, кг	Скважин- ность, %	Осевая нагрузка, кг
	наруж­ный	внут­рен­ний
ФПК-188	188	140	2035	1±0,2	31,8	20	40
ФПК-255	255	203	2035	1±0,2	44,4	20,5	60
ФПК-310	310	260	2035	1±0,2	55,3	21	80

Гидравлические характеристики фильтров ФПК (начальные потери напора при раз­ных расходах) и изменении удельных расходов различных типов фильтров в процессе их длительной эксплуатации представлены на рис. 10.4 и 10.5, а их сравнительные ха­рактеристики в табл. 10.5

Таблица 10.5

Сравнительные характеристики фильтров ФПК по результатам

полевых исследований

Скважина №	Удель-ный дебит	Тип фильтра	Скваж-ность η , %	Обобщенный показатель гидравлического сопротивления ζ	Темпы изменения удельного дебита	Коэффициент «старения» (по Бессонову Н.Д.)
148	5,9	ФПК-188	20	-0,4	0,02	0,003
163	5,0	Каркасно- стержневои	35	- 0,3	0,08	0,05
175	7,3	Листоштам- пованные с отверстиями типа «мост»	12	- 0,9	0,016	0,015
181	3,9	Тарельчатые ВСЕГИНГЕО	10	- 0,5	0,3	0,01

Рис. 10.5. Зависимость

потерь напора на фильтре от расхода:

1 - по данным экспери­мента; 2 - расчетные

Рис. 10.6. Изменения удель­ных дебитов скважин в пери­од 10-летней эксплуатации на скважинах Каменской оросительной системы: 1 - фильтр ФПК-188, скв 148, η = 10 %; 2 - фильтр каркасно-стержневой скв.23. η = 35 %; 3 - фильтр тарельчатый ВСЕГИНГЕО, скв.38, η = 10 %; 4 - фильтр из про­сечного листа, скв.56 η = 12 %

Бесфильтровые скважины устраивают в крупнозернистых и гравелистых водонос­ных песках, когда над водоносным пластом имеется мощный слой (не менее 10 м) глины. Для устройства бесфильтровой скважины под кровлей в водоносном пласте форми­руется водоприемная воронка. Расчетная схема водоприемной воронки приведена на рис.10.7

Р ис. 10.7. Схема бесфильтровой скважи­ны: S— глубина понижения статического уровня воды; h - глубина водоприемной воронки; R_в - радиус водоприемной воронки; φ - угол естественного откоса водоносного песка; h_oб - высота свода обрушения; α - угол внутреннего трения грунта кровли; Z₃ - отметка поверхности земли; Z_c - отметка статического уровня воды; Z_d - отметка динамического уровня воды

Требуемый радиус водоприемной воронки определяется по формуле:

, м (1.21)

где q - дебит бесфильтровой скважины, м³/сут; v₀ - допустимая скорость фильтрации на границе выхода грунтового потока в воронку, м/сут; φ - угол естественного откоса пес­ка под водой. Величина v₀ определяется по формуле:

, м/сут (1.22)

где k_ф - коэффициент фильтрации водоносного грунта, м/сут; η₁ - коэффициент запаса (η₁ = 0,78); η₂ - коэффициент уменьшения допускаемых уклонов, зависящий от угла ес­тественного откоса (для φ = 25° η₂ = 0,84); ρ - пористость водоносного грунта, в долях.

Высота водоприемной воронки определяется из выражения:

, м (1.23)

Высота свода обрушения определяется по формуле:

, м (1.24)

где tgα - угол внутреннего трения глинистого грунта кровли.

Допустимый радиус водоприемной воронки определяется из условия не обрушения кровли:

,м (1.25)

где ρ_кр - пористость породы кровли (в долях); γ_кр - удельная плотность породы кровли, т/м³, (γ_кр = 2,73-2,92, т/м³); γ - удельный вес воды, т/м³.

Если R_доп < R то скважина удовлетворяет требованиям устойчивости кровли; если R_доп > R, то уточняется радиус R_доп и для него находится новое значение h.

С целью закрепления слабой кровли иногда применяют закрепляющие растворы, плавучие полимеры, закачку сжатого воздуха. Однако условия применения таких техно­логических приемов весьма ограничены.

Б олее реальный путь повышения надежностей эксплуатации безнапорных и слабонапорных водоносных пластов является применение скважин с гравийно-зонтичными фильтрами (ФУГЗ) уширенного контура, разработанных в ЦНИИКИВР (г. Минск) и показанного на рис. 10.8

Pиc. 10.8 Конструкция скважин с гравийно-зонтичными фильтрами:

а - одноярусная; б - много­ярусная; 1 - ствол бурения скважины большого диа­метра (600-1200 мм); 2 - гравийная засыпка; 3 - обсадная колонна труб; 4 - раструб с цилиндричес­ким краем; 5,6 - гидроизо­лирующий материал; 7 - отверстия

Допустимый дебит таких скважин определяется по формуле: , (1.26)

где V_доп = 2,0-5,8 см/с - допустимая скорость, возрастающая с увеличением диаметра ча­стиц грунта от 1,0 до 6,5 мм; β = 0,5-0,7 - коэффициент запаса; r - радиус водоприемной части ФУГЗ, см.

Толщина гравийной обсыпки принимается не менее 200мм,

t₀ = (5 – 10)Д₅₀ (1.27)

Диаметр бурения скважины:

Д₆ = 2(r + t₀) (1.28)

Определение глубин погружения водоприемной части t_n и гравийной обсыпки t_r производится по монограмме, представленной на рис. 10.9., в зависимости от соотношения коэффициентов обсыпки К_r и К_n, и мощности водоносного пласта т.

Р ис. 10.9. Номограмма для определения глубин погружения водоприёмной части - t_n и гравийной t_c