книги из ГПНТБ / Сооружение высокодебитных водозаборных и дренажных скважин

При устройстве фильтров в зависимости от их длины расход гравия на одну скважину может составлять от

5—10 до 50—100 м3 и более.

Характеристику водоносного горизонта, как правило, определяют при проходке разведочных скважин. При проходке ствола в песчано-глинистых отложениях и соб­ людении технологии бурения определить расход гравия

3. Расчет сделан по уравнению:

V=0,78 {D*-cP)aB м3,

где D — диаметр скважины, м;

d — диаметр каркаса фильтра, м; а, В — коэффициенты.

При установке фильтра для каптажа одного водонос­ ного горизонта обсыпку следует поднимать на 3—5 м выше его рабочей части на случай ее пополнения при про­ садке. В случае, когда по разрезу скважин вскрываются водоносные горизонты малой мощности в виде линз и про­ пластков, которые также необходимо дренировать, гра­ вийную обсыпку целесообразно устраивать вдоль всего ствола скважины до поверхности земли. Сквозная обсып­ ка будет служить дреной (типа водопоглощающего ко­ лодца) и отводить воду при вертикальной фильтрации в зону фильтра.

91

Перед засыпкой гравия ствол скважины следует про­ мыть чистой водой для предупреждения колъматажа об­ сыпки.

В практике сооружения скважин большого диаметра на воду известны случаи значительного превышения рас­ хода гравия над расчетными. Это бывает при проходке стволов в слоистых толщах, представленных чередова­ нием различных по крепости пород, и несоблюдении тех­ нологии бурения.

С учетом значений коэффициентов а и В Ѵ ~

=1,18 (D2—d2) м3 на 1 пог. м высоты обсыпки. Подготовка фильтровой колонны. При бурении сква­

жин с обратной промывкой необходимо учитывать, что колонна труб опускается в незакрепленный ствол скважины и может отклоняться от его центра за счет врезки направляющих фонарей в породу.

Центрирующие фонари устанавливают по мере спус­ ка фильтра через 8—10 м; выше рабочей части фильтра на расстоянии 0,2—0,4 м; на спусковых надфильтровых трубах через 10—15 м. Фонари делают .из стальной поло­ сы шириной 50—60 мм, толщиной 7 мм или из прутковой

92

скважины, в результате чего уменьшается ее глубина. Следовательно, эти фонари не следует использовать.

Сборку фильтровой колонны и установку фонарей ве­ дут по мере спуска в скважину.

При устройстве центрирующих фонарей методом элек­ тросварки нарушенные участки антикоррозийной защиты должны быть восстановлены путем покрытия их битум­ ным лаком или другим антикоррозийным материалом. Целесообразно применять промежуточные патрубки, на которых заблаговременно приварены фонари.

Перед спуском фильтра из пробуренного ствола сква­ жины извлекают бурильный инструмент (долото, штан­ ги); снимают ротор, если диаметр спускаемого фильтра больше диаметра проходного отверстия ротора, и уточ­ няют положение забоя.

Чтобы исключить заплывание скважины породой, не­ обходимо в период подготовки фильтровой колонны и спуска ее в скважину не допускать снижения уровня во­ ды в скважине.

При снижении уровня следует периодически прово­ дить подкачку воды.

Длина отстойников должна быть ограничена и при­ нята конструктивно (0,5—2 м). Отстойник служит лишь местом размещения центрирующих фонарей при установ­ ке каркаса фильтра в незакрепленный ствол скважины.

Технология производства работ по сооружению гра­ вийных фильтров. При оборудовании скважин гравийно­ обсыпными фильтрами наиболее часто применяют гра­ витационный способ загрузки гравия, который осаждает­ ся в кольцевом зазоре между стенками ствола скважины и надфнльтровыми трубами, каркасом фильтра. При об­ сыпке гравий расслаивается, образуя слон с различным размером зерен. Существенно изменяются пористость и фильтрационные свойства гравия, которые отличаются от его параметров до загрузки.

Внедрение в практику бурения скважин большого диаметра роторным способом с обратной промывкой и создание мощных контуров гравийных обсыпок вызвало необходимость расходовать на сооружение одной сква­ жины значительное количество гравия. Это предопредели­ ло необходимость исследования оптимальных параметров обсыпок и особенностей их расслоения при исполь­ зовании разнородного гравия и различных способов по­ дачи его на забой скважины.

93

Изучение расслоения необходимо для оценки измене­ ния характеристики гравия и определения рациональ­ ной технологии производства работ при сооружении правпйно-обсыпных фильтров. Эти вопросы еще не иссле­ дованы и рекомендаций по допустимым составам разнозернистых обсыпок при различной технологии производ­ ства работ пока нет.

Исследования расслоения гравия в лабораторных ус­ ловиях применительно к засыпке его в кольцевое про­ странство между фильтрами и стенками скважины производились в институте БИОГЕМ. Опыты свидетель­ ствуют о практически возможном достижении равномер­ ного формирования гравийной обсыпки при интенсив­ ности загрузки 10—20 кг/с и при гидравлической подаче гравия со скоростью больше 100 см/с. Отсутствие согласованности этих опытов с основной массой экспери­ ментов по изучению закономерностей стесненного осажде­ ния гравия в промышленном фильтровании предопреде­ лило необходимость выявления возможности расслоения гравия при различной интенсивности засыпки (различ­ ной объемной концентрации гравия).

Расслоение гравия исследовали по специальной про­ грамме, которая предусматривала определение его ис­ ходных характеристик на поверхности земли и в контуре обсыпки при различных диаметрах и глубинах скважин, фильтрах с надфильтровой колонной, различных спосо­ бах производства работ в условиях осаждения гравия только под действием силы тяжести.

Исследования по определению расслоения гравия проводили экспериментально в полевых условиях па уча­ стках вертикальных дренажей Каховского водохра­ нилища, острова Турунчук (Одесская область), г. Чер­ кассы.

В скважины диаметром 600—850 мм, глубиной 28— 55 м после установки каркасов фильтров диаметром 190— 380 мм в свободное пространство между стенками ство­ ла и фильтра на забой опускали разъемные колонны труб. После этого засыпали гравий с использованием бульдозеров, самосвалов, а также вручную при различ­ ной интенсивности. В опытах использовали однородный гравий волгоградского карьера (£>5о = 2,0—2,9 мм; Кп =

—2,06—3,45), смесь гранитной крошки с крупнозерни­ стым волгоградским песком (D50 = 3,0—4,4 мм; Кп= = 6,0—8,5), самборскую песчано-гравийную смесь £>50=

94

ностн этих обсыпок и пород в среднем был равен 4—8. После окончания засыпки гравия колонну труб диа­

метром 2,5" извлекали и анализировали состав обсыпки в пробах, отобранных с интервалом 0,15—0,3 м. В лабо­ ратории определяли гранулометрический состав, объем­ ный вес гравия и с использованием этих данных рассчи­ тывали коэффициенты неоднородности, фильтрации и расслоения. Коэффициент расслоения представляет со­ бой отношение:

где Dk5Q— средний размер гравия в исследуемом интер­ вале;

£>5о — средний размер гравия до засыпки.

При выполнении экспериментальных работ принима­ лись следующие допущения:

гранулометрический состав материала обсыпки до засыпки одинаков во всем объеме;

концентрация частиц в данном сечении кольцевого зазора одинакова во всем объеме;

скорость осаждения гравия в колонне диаметром 2,5" равна скорости его осаждения в кольцевом простран­ стве.

Определение пористости в зависимости от коэффи­ циента неоднородности гравия проводили по эмпириче­ ским соотношениям, полученным для случая свободного осаждения частиц (рис. 46).

Рис. 46. График зависимости пористости гра­ вийных обсыпок от коэффициента неоднород­

ности:

1 и 3 — ограничивающие кривые; 2 — средневзвешен­ ная зависимость.

95

96

Коэффициент фильтрации рассчитывали по форму­ лам В. Н. Кондратьева.

где К — коэффициент фильтрации, см/с; ц — коэффициент кинематической вязкости; п — пористость в долях единицы;

т] ■—параметр неоднородности и плотности (по В. Н.

гравия, расчетов его характеристики, а также сравнение их с начальными значениями приведены в таблице 1 2 и на рисунке 47.

Для иллюстрации методики устройства гравийной обсыпки приведем пример.

Рис. 47. График изменения межслоііных коэффициентов при расслое­ нии гравия (по скважинам Каменского вертикального дренажа):

/ — расчетный коэффициент межслойностн; 2 — фактический коэффициент межслойностн в результате расслоения гравия.

В скважину № 4 гравиіі засыпали бульдозером с интенсивно­ стью до 40 кг/с. В некоторые периоды она (до 5—10 с) была боль­ ше и образовывались пробки. В скважинах № 5, 6, 163, 183 ин­ тенсивность засыпки составляла от 5 до 38 кг/с. Засыпку вели с самосвалов при различном »интервале времени подхода маши«.

В скважину № 143 порции гравия засыпали практически не­ прерывно с нескольких самосвалов при интенсивное™ от 3,4 кг/с до 4,5—5 кг/с. В скважины 37 и 58 было засыпано по ива само­ свала гравия с интенсивностью 25—50 кг/с с перерывом 8—15 ми­ нут. После засыпки гравия с самосвалов оставшийся в устьевой части скважин гравийный материал подбирали вручную с интен­ сивностью засыпки 3—7 кг/с.

Анализ материалов показывает, что наименьшее рас­ слоение гравия при его осаждении в спокойной воде на­ блюдается при минимальных коэффициентах неоднород­ ности, максимальной окатаиностн, равномерной подаче его в ствол и минимальных перерывах в производстве работ.

По результатам определения гранулометрического состава водосодержащих пород на участке установки фильтра и характеристик гравия в контуре обсыпки оп­

ределены межслойпые коэффициенты обсыпки

f/so

Графики изменения межслойных коэффициентов иа уча­ стке установки фильтра приведены иа рисунке 48.

Анализ материалов расслоения гравия в контуре об­ сыпки при загрузке гравитационным способом при зак­ рытом устье скважины позволяет сделать следующие вы­ воды.

1. При сооружении гравийно-засыпных фильтров во всех случаях происходит расслоение гравия. Пределы расслоения тем больше, чем больше неоднородность ис­ ходного материала и меньше степень окатаииости частиц. Если для гравия с коэффициентом неоднородности 2,06— 3,54 максимальная величина расслоения составляет 1,4, то для смеси гранитной крошки с песком (коэффициент

фильтров с контуром обсыпки 20—28 см на глубину до 35 м среднее значение коэффициента неоднородности уменьшается в среднем в 1,2—1,5 раза. Такая сортировка гравия приводит к увеличению его пористости и, следо­ вательно, к повышению проницаемости. Коэффициент фильтрации однородного гравия увеличился в 1,64—2,69 раза, а смеси гранитной крошки с крупнозернистым пес­ ком— в 2,78—3,7 раза.

98

Рис. 48. График изменения коэффициента межслоііиостіі із скважине № 37 (Б. Зна­ менка) :

/ — расчетный коэффициент межслойностн; 2 — фактический коэффициент межслойностп в резуль­ тате расслоения гравия.

3.Существенное влияние на расслоение гравия ока­ зывает технология производства работ. Наименьшее рас­ слоение наблюдается при равномерной непрерывной по­ даче гравия в ствол скважины.

4.В результате расслоения гравия при однородном строении пласта нижние участки фильтра, как правило, характеризуются максимальными значениями межслой­

ных коэффициентов, верхние — минимальными.

5. При использовании разнозернистого гравия и пре­ рывистом производстве работ в контуре обсыпки образу­ ются слои высотой 0,1—0,5 м различного гранулометри­ ческого состава. В связи с этим в процессе строительной откачки возможна просадка гравия, поэтому запас ..его над фильтром нужно задавать с учетом неоднородности применяемого материала и перерывов в производстве ра­ бот.

6 . При сооружении скважин большого диаметра лю­ бой глубины можно рекомендовать использование гра^ вия разнозернистого состава, если межслойный коэффи-

которое раскрывает зависимость между скоростью стес­ ненного осаждения и концентрацией частиц. Скорость стесненного осаждения зависит от гидродинамических характеристик, скорости Ѳ, числа Re3 и коэффициента сопро;явления ѴР3 при свободном осаждении. Параметр т в уравнении ( 1 2 ) характеризует пористость осажда­ ющегося гравия, а ( 1 —т) — соответственно объемную концентрацию гравия, зависящую от скорости подачи гравия и объема затрубного пространства.

100