книги из ГПНТБ / Сооружение высокодебитных водозаборных и дренажных скважин

Ц *

Рис. 49. График изменения гидродинамических харак­ теристик в процессе осаж­ дения гравия.

Параметр С в уравнении (12) также зависит только от гидродинамических характеристик частиц. С учетом этого обстоятельства уравнение (1 2 ) можно предста­ вить в следующем виде:

е=4,5); при больших значениях Кз>225 е также сохра­ няет постоянное значение, равное 0,38.

Следовательно, для мелких частиц, так же как и для крупных, отношение скорости стесненного осаждения к скорости свободного осаждения зависит только от их концентрации и не зависит от диаметра. Однако размер

Рис. 50. Графики зависимости относительных скоростей стес­ ненного осаждения от объем­ ной концентрации взвешенного гравия:

стые среды с размером частиц ме­ нее 10 мм и более 0,1 мм.

ІОІ

частиц имеет значение в переходной области от лами­ нарного к турбулентному режиму осаждения, когда ве­ личина е изменяется с изменением числа /(3, то есть с изменением крупности частиц. Очевидно, что при не­ однородном материале и гравитационном осаждении его в затрубном пространстве обычно имеет место пере­ ходная область от ламинарного к турбулентному режиму осаждения, чем и обусловливается значительная степень расслоения гравия в ходе засыпки.

На графике (рис. 50) представлены кривые зависи­ мости величин ß= .Л , вычисленных по формуле (13)

от объемной концентрации взвешенного слоя. Кривая 1 относится к очень крупным зернам (6 = 0,38), кривая 2 — к мелким частицам (е = 4,5). Зависимость ß от объ­ емной концентрации в переходной области изображает­ ся серией кривых, проходящих между кривыми для мелких и крупных зерен (кривые 3 и 4). Из графика видно, что при стесненном осаждении мелких частиц, то есть частиц с небольшой гидравлической крупностью, влияние объемной концентрации на скорость стесненного осаждения сказывается наиболее сильно.

При объемной концентрации, равной 0,3, скорости стесненного осаждения мелких и крупных гравийных частиц отличаются в 5 раз. Эти различия несколько меньше при уменьшении объемной концентрации частиц, но с ее изменением нельзя добиться равномерной уклад­ ки неоднородного материала при гравитационном спо­ собе обсыпки. Следовательно, для регулирования этого процесса необходима разработка технологии производ­ ства обсыпки путем регулирования гидродинамических критериев осаждения.

Наиболее благоприятный гидродинамический режим наблюдается при ламинарном режиме свободного осаж­ дения зерен гравия (е = 4,5) и при турбулентном стес­ ненном осаждении крупных зерен (е = 0,38). Поскольку при е<0,38 параметры стесненного осаждения не за­ висят от размеров зерен гравия, то есть исключается эффект расслоения, необходимо поставить условия, что­ бы в ходе засыпки выполнялся этот критерий. В соот­ ветствии с выражением (14) необходимо задать

3Т.С

( 1 5 )

Re3 і|ъ

J 0 2

Расчеты следует вести на минимальные и макси­ мальные величины зерен в составе гравийной об­ сыпки. Величина пара­ метра С определяется по' графику (рис. 51), состав­ ленному по результатам исследовании Д. М. Мин­ ца.

Значение XF3 оцени­ вается по графику (рис. 52), а величина R3 по формуле:

Ѳ— скорость движения частиц;

ц— вязкость жидкости.

Поскольку геометрические параметры гравийных обсыпок задают на основе учета суффозионнон устой­ чивости пород в призабойной зоне скважин, а парамет­ ры воды невозможно варьировать, единственной величи­ ной, которую можно регулировать в практике произ водства засыпки, является скорость движения частиц в

Рис. 52. Изменения сопротивления зерен песка и гравия при свободном осаждении (по А. П. Зегжда).

103

затрубной пространстве. Скорость осаждения можно регулировать косвенно интенсивностью засыпки при от­ крытом стволе скважины и самоизлнве из нее, а также путем проведения откачки при одновременной подаче гравия на забой, когда уровень грунтовых вод нахо­ дится на значительных глубинах, или при недостаточ­ ном расходе самоизлива.

Расчеты расхода откачек следует вести, исходя из

гравия. Расчеты проводим для характерных значений £>10 n £>90. При £>ю=1 мм величину С, равную 5,8, определяли по графи­

ку (рис. 51), а величину ф3 принимали равной 0,612 для выположенного участка графика зависимости lgt|)3 от IgRpa. Тогда, исходя из общего уравнения (15), можно записать

Следовательно, при расчетах необходимых скоростей контроли­ рующими являются размер и параметры стесненного осаждения относительно мелких частиц в полидисперсиоіі взвеси.

где g — ускорение силы тяжести.

104

гравия необходимо поддерживать в затрубной прост­ ранстве скорости движения частиц, незначительно пре­ вышающие скорости естественного движения крупных частиц. При этом скорость движения гравия превышает скорости его стесненного гравитационного осаждения, чем достигается минимальный эффект расслоения.

Очевидно, для оценки параметров этого процесса требуются дополнительные экспериментальные исследо­ вания. Откачку из скважины следует проводить с под­ держкой уровня' воды, превышающей на 3 м отметку статического уровня водоносного горизонта.

Большие объемы гравийной массы при односторон­ ней засыпке могут отжать фильтровую колонну в сто­ рону и привести к пескованию скважины во время эксп­ луатации. Для обеспечения центрального положения фильтровой колонны в скважине целесообразно засы­ пать гравий с двух сторон.

Если фильтр устанавливают для каптажа одного во­ доносного горизонта, обсыпку необходимо поднимать на 3—5 м выше рабочей части фильтра, на случай ее пополнения при посадке. Остальное пространство можно засыпать породой, используя при этом буровой шлам.

Для скважин питьевого назначения вокруг устья скважины устраивают глиняный замок путем тампони­ рования верхней части разреза на высоту 1,5— 2 м.

В тех случаях, когда по разрезу скважин вскрыва­ ются маломощные водоносные горизонты в виде линз и пропластков, которые необходимо также дренировать, гравийную обсыпку целесообразно устраивать вдоль все­ го ствола скважины до поверхности земли. Сквозная обсыпка будет служить дреной и отводить воду в зону фильтра (рис. 53).

105

Рис. 53. Схема установки фильтра при каптаже одного

инескольких водоносных горизонтов:

а— скважина, каптирующая одни водоносный горизонт; б —

При устройстве обсыпки фильтров нельзя засыпать гравий в ствол скважины, который заполнен водой, обо­ гащенной глиной. Это может привести к цементации обсыпки и занизить дебнг скважины.

Под действием гравия происходит отжатие воды из затрубиого пространства и надфильтровой колонны. Отводить воду из контура скважины можно по отвод­ ной канаве или лотку в отстойник, не допуская перели­ ва через край надфильтровой трубы. На трубах реко­ мендуется устанавливать приемный кожух и при помо­ щи шланга отводить воду з сторону.

Если обсыпка не выводится на поверхность, положе­ ние гравия в затрубной пространстве скважины прове­ ряют замером глубины.

По окончании работ по обсыпке фильтра необходимо проверить глубину скважины, так как в результате час­ тичного просыпания гравия внутрь фильтра часто образу-

106

ется пробка тон или иной высоты. В практике бывают случаи полного заполнения отстойника и рабочей час­ ти фильтра мелкими фракциями гравия, которые мож­ но легко удалить при прокачках эрлифтом.

Технология, длительность прокачек скважин и объе­ мы вынесенной породы. Длительность прокачки сква­ жин в процессе их освоения и объем выносимой поро­ ды — важные показатели, необходимые для назначения резерва гравийной обсыпки. При существующем методе прокачки скважин эрлифтом с расходом, превышающим проектный, целесообразно постепенное формирование прифильтровой зоны с увеличением расходов и пониже­ ний уровней.

В соответствии с этим проведены исследования дли­ тельности прокачки скважин в зависимости от коэффи­ циента межслойности песков и гравийной обсыпки и за­ фиксированы общие объемы гравия, который выносился в ходе прокачки. Опытные работы проводились в основ­ ном на вертикальных дренажах Каховского водохрани­ лища. Исследования пескования скважин, оборудован­ ных жесткопоролоновыми тарельчатыми фильтрами конструкции ВСЕГИНГЕО с обсыпкой мелким волго­ градским гравием, показали, что пескования практичес­

стержневых.

Скважины с фильтрами из жесткого поролона и та­ рельчатой конструкции с зазором 0,5 мм из-за малых удельных дебитов не были подключены к вертикальному дренажу и признаны бракованными.

При сооружении 400 скважин большого диаметра роторным способом с обратной промывкой чистой водой толщина контура гравийной обсыпки составляла 2 0 0 — 350 мм. Как показала практика освоения этих скважин, при подборе гравийного материала длительность песко­ вания не превышала 4—10 часов, а объем выносимой породы был незначительным.

На рисунке 54 показаны характеристики, механиче­ ского состава пород и гравийной обсыпки, которые при­ менялись при бурении большинства скважин на участке вертикальных береговых дренажей Каховского водохра­ нилища. Материал обсыпки представлен хорошо ока­ танными частицами с коэффициентом неоднородности

107

Рис. 54. График механического состава по­ род п гравийной обсыпки, применявшийся па участках каменского и Знаменского вер­ тикальных дренажей:

/ — песок; 2 — гравий.

1,5—4,5, межслойными коэффициентами в среднем 7— 8

(от 4 до 13).

При использовании в качестве обсыпки сортирован­ ного окатанного материала с коэффициентом неоднород­ ности 1,5—2 и межслойным коэффициентом 4—5 пескование скважин прекращалось в течение первого часа после начала откачки.

В скважине № 1 водосодержащие породы представ­ лены однородными среднезернистыми песками с коэф­ фициентом неоднородности 1,6—2,5 и D5O= 0,34—0,40 мм. Каркасно-стержневой фильтр обсыпан крупным волго­ градским песком с коэффициентом неоднородности 1 ,6 , £>50— 1 , 8 мм, межслойным коэффициентом 4—5. Толщи­ на обсыпки составляла 205 мм. Эксплуатационный водо­ отбор из скважины достигал 300 м3/сут. Откачку прово­ дили с расходом 864 м3/сут, то есть в 2,8 раза больше проектного. Пескование длилось всего 20 минут. Через 5 минут после начала откачки омо равнялось 1,1 кг/м3, а затем резко снижалось до 0 , 2 кг/м3 и прекращалось. Однако еще в течение часа вода была мутной, что сви­ детельствовало о выносе пылеватых фракций из зоны контакта обсыпки с водосодержащими породами и пласта.

108

В скважине № 37 по конструкции аналогичной сква­ жине № 1 водосодержащие породы представлены несуффозионными однородными песками (коэффициенты неоднородности равны 1,5—2 ) от мелкодо среднезернн-

выполнялась эрлифтиым способом вначале с установкой низа водоподъемных труб в отстойнике, а затем — выше фильтра.

Продолжительность пескования при откачке с распо­ ложением низа водоподъемных труб ниже фильтра со­

эксплуатационный расход, составила 4 ч 30 мин. Резкие колебания количества выносимого материала отмечены в первые 30 мин после начала откачки. В дальнейшем количество выносимого материала резко уменьшилось и

109