Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Поиски и разведка подземных вод и мероприятия по их охране от загрязнения и истощения. Учебное пособие
.pdf
При ударно-канатном способе бурения применяют долота плоские
(при бурении в пластичных, глинистых породах), двутавровые (при бурении
в плотных сухих глинах, галечниках), округляющие (при бурении в сланцах,
известняках, песчаниках), крестовые (при бурении в твердых, трещиноватых
и валунно-галечниковых породах). Диаметры долот при ударно-канатном
способе бурения: 145, 198, 248, 345, 395, 445, 595 мм [1].
Шарошечные долота имеют следующие преимущества по сравнению
с лопастными: площадь контакта шарошечных долот с забоем значительно
меньше, чем у лопастных, но длина их рабочих кромок больше, что значительно
повышает эффективность разрушения горных пород; шарошки долота
перекатываются по забою в отличие от лезвий лопастного долота, скользящих
по нему, вследствие чего интенсивность износа зубьев шарошек значительно
меньше интенсивности износа лезвий лопастных долот; вследствие
перекатывания шарошек по забою крутящий момент, потребляемый долотом,
сравнительно невелик, поэтому опасность заклинивания шарошечного долота
сводится к минимуму.
Категории гидрогеологических скважин. По целевому назначению гидрогеологические скважины подразделяются на пять типов:
поисковые, разведочные, разведочно-эксплуатационные, эксплуатационные и наблюдательные [4, 6].
Поисковые скважины бурят при поисково-съемочных работах, они
предназначены для изучения общих геологических и гидрогеологических
условий. Предварительной количественной и качественной оценки
встреченных водоносных горизонтов.
Разведочные скважины проходят на стадиях предварительной
и детальной разведки на перспективных участках с целью количественной
и качественной оценки наиболее перспективных водоносных горизонтов
и для изучения гидрогеологических параметров этих горизонтов.
Разведочно-эксплуатационные скважины сооружаются на стадии
детальной разведки (с последующей их передачей в эксплуатацию), в местах
будущих водозаборов и предназначенных для полного изучения водоносных
горизонтов.
Эксплуатационные скважины бурят для разработки и эксплуатации
месторождений подземных вод.
Наблюдательные скважины закладываются на стадиях предварительной и детальной разведок. Используются для наблюдений за режимом
подземных вод, как при проведении опытных работ, так и при эксплуатации.
Общие требования ко всем категориям скважин:
1. Защита водоносных горизонтов от загрязнения;
2. Надежная изоляция водоносных горизонтов друг от друга;
3. Качественное опробование и вскрытие водоносных горизонтов с це-
лью их эксплуатации при минимальных сопротивлениях прифильтровых зон;
51
4. Простота сооружения и минимальная стоимость;
5. Надежность эксплуатации и возможность проведения ремонтных работ.
Выбор источников водоснабжения. Основными критериями выбора
источника водоснабжения являются:
1. Целевое назначение работ. Для технического водоснабжения в условиях Западной Сибири обычно используются водоносные горизонты четвертичного или олигоценового (новомихайловский водоносный горизонт) возраста.
Для хозяйственно-питьевого водоснабжения – атлымский водоносный горизонт
(олигоцен);
2. Возможность получения производительности скважины, достаточной
для удовлетворения заявленной потребности;
3. Качество подземных вод;
4. Оценка влияния отбора подземных вод на окружающую среду.
На основании геологических материалов по участку исследований
составляется предварительный геологический разрез проектируемой скважины.
Пример данных для построения такого разреза приведен в таблице 3.
Исходя из предварительного геологического разреза и целевого назначения
работ (техническое или хозяйственно-питьевое водоснабжение)
проводится сопоставительная оценка водоносных горизонтов и выбор
источника водоснабжения в соответствии с ГОСТ 17.1.3.03-77 (СТ
СЭВ1923-79) [9]. Согласно ГОСТ 17.1.3.03-77 (СТ СЭВ1923-79) в качестве
источника водоснабжения может быть использован водоносный горизонт
с достаточным количеством пресных подземных вод, качество которых
отвечает требованиям (СанПиН 2.1.4.1074-01). Он должен быть надежно
защищенный от поверхностного загрязнения.
Таблица 3
Предварительный геологический разрез проектируемой
водозаборной скважины
Номер
слоя
1 0-0.5 0.5 Q I Растительный слой
2 0.5-7 6.5 Q III Глина желтая
3 7-18 11 Q II Песок
4 18-103 85 Р
5 103-122 19.0 Р
6 122-130 8.0 Р
7 130-155 25.0 Р
8 155-200 45.0 Р
Интервал
залегания
слоя
Мощность
слоя
Геологический
возраст слоя
tr III Глина синяя
3
nm II Песок
3
nm III Глина серая
3
at II Песок
3
tv III Глина зеленая
2
52
Категория
пород по
буримости
Краткое
литологическое
описание пород
мелкозернистый
мелкозернистый
мелкозернистый
плотная
Обоснование конструкции скважины. В процессе сооружения
скважины крепление ее ствола одна из наиболее ответственных операций.
Целью крепления ствола скважины является [1,6]:
1. Закрепить стенки скважины, сделать их устойчивыми против уси-
лий, создаваемых боковым давлением пород;
2. Изолировать друг от друга различные водоносные горизонты.
Надежность крепления определяется правильностью выбора
конструкции скважины, технологией спуска и цементирования обсадных
колонн, а также работами, связанными с оборудованием устья и водоприемной
части скважины.
Расположение обсадных колонн с указанием их диаметра, глубины
установки, высоты подъема закаченного цементного раствора, диаметра
долот, которыми ведется бурение под каждую колонну, а иногда и других
данных называется конструкцией скважины.
Конструкция скважин в зависимости от назначения должны отвечать
определенным требованиям. Так, конструкции разведочных скважин должны
обеспечивать:
- высококачественное опробование всех или, в зависимости от назна-
чения, некоторых из вскрытых водоносных горизонтов;
- экономичность (стоимость применяемых материалов, трудовые за-
траты и др.);
- наименьший по возможности диаметр ствола скважины;
- повторное использование фильтра и ствола труб;
-простоту ликвидации скважины и высококачественный ликвидаци-
онный тампонаж.
Конструкции эксплуатационных скважин должны обеспечивать:
- высококачественное вскрытие продуктивных водоносных горизонтов с целью их эксплуатации при минимальных сопротивлениях
прифильтровых зон;
- тщательную изоляцию водоносных горизонтов друг от друга, за исключением тех, которые эксплуатируются совместно;
- экономичность (стоимость применяемых материалов, трудовые затраты и др.);
- длительный срок эксплуатации и минимальный темп снижения производительности;
- выполнение ремонтных и восстановительных работ;
- наименьшие сопротивления при подъеме воды насосом.
Выбор конструкции скважины определяется рядом факторов, основными
из которых являются: гидрогеологические условия района работ, целевое
назначение скважины, конечный диаметр бурения и глубина скважины.
Конструкция скважины характеризуется различными сочетаниями
обсадных труб, которые служат для крепления скважины и гидроизоляции
53
отдельных водоносных пластов друг от друга. Основными элементами
в конструкции скважин являются: кондуктор (направление), техническая или
эксплуатационная колонна, фильтр с отстойником и надфильтровой частью.
Первая колонна – кондуктор служит для придания стволу вертикальности
и крепления верхних интервалов ствола скважины и устья. Эксплуатационная
колонна обеспечивает крепление ствола скважины на больших глубинах,
в ней устанавливается насос для подъема воды. В скважинах глубиной более
300 м и в случае вскрытия неблагоприятных интервалов (сильное поглощение
промывочной жидкости и др.) может устанавливаться промежуточная
техническая колонна.
К параметрам конструкции скважин относятся: длина скважины,
диаметры обсадных колонн, длина и диаметр фильтра, интервалы
цементации.
В условиях Западной Сибири для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения используют одноколонные и двухколонные
конструкции скважин [4].
Двухколонные конструкции скважин применяются для хозяйственнопитьевого водоснабжения, в этом случае фильтровая колонна устанавливается
на специальных сальниках «впотай».
Одноколонные конструкции скважин обычно применяют для технического водоснабжения, фильтр в таких скважинах смонтирован на эксплуатационной колонне.
Основой для выбора конструкции скважины является геологический
разрез участка исследований (таблица 3) и параметры водоносного горизонта, выбранного в качестве источника водоснабжения (таблица 4).
Глубина скважины. Глубина проектируемой скважины определяется
положением в разрезе кровли, подошвы и мощностью водоносного
горизонта. Водоносные горизонты мощностью менее 20 метров вскрываются
полностью.
Таблица 4
Параметры водоносного горизонта, принятые для обоснования
конструкции скважины
Параметры водоносного горизонта Единицы
1. Глубина залегания кровли водоносного горизонта
2. Глубина залегания подошвы водоносного горизонта
3. Мощность водоносного горизонта
4. Статический уровень
5. Напор над кровлей водоносного горизонта
6. Коэффициент фильтрации
7. Коэффициент водопроводимости
54
измерения
м
м
м
м
м
м/сутки
2
м
/сутки
Эксплуатационная колонна. Диаметр эксплуатационной колонны
(внутренний диаметр колонны труб, в которую устанавливается
эксплуатационный погружной насос) принимается в зависимости от типа
водоподъемного устройства, глубины его погружения, производительности
и высоты подъема воды. Диаметр эксплуатационной колонны должен быть
на 50-100 мм больше диаметра водоподъемника. Диаметры обсадных труб
для выбора конструкции скважины приведены в таблице 5.
Таблица 5
Диаметры обсадных труб
Условный
диаметр, мм
1 2 3 4
114 102.3
127 115
140 127.7
146 133
168 155.3
178 163.8
Внутренний
диаметр, мм
100.3
98.3
113
111
109
125.7
123.7
121.7
119.7
117.7
132
130
128
126
124
154.3
152.3
150.3
148.3
143.3
144.3
161.8
159.8
157.8
155.8
153.8
Толщина стенки,
мм
6
7
8
6
7
8
9
6
7
8
9
10
11
6.5
7
8
9
10
11
6.5
7
8
9
10
11
12
7
8
9
10
11
12
Тип рекомендуемого
насосного оборудования
ЭЦВ 5
ЭЦВ 5
ЭЦВ 5
ЭЦВ 5
ЭЦВ 6
ЭЦВ 6
55
Окончание таблицы 5
Условный
диаметр, мм
1 2 3 4
194 179.7
219 205.1
245 230.5
273 259.1
299 282.5
324 305.9
340 321.7
377 359
407 388.4
426 406
508 486 11 ЭЦВ 12
Внутренний
диаметр, мм
177.7
175.7
173.7
169.7
203.1
201.1
199.1
195.1
228.5
226.5
224.5
220.5
257.1
255.1
253.1
249.1
280.5
278.5
276.5
274.5
303.9
301.9
299.9
319.7
317.7
315.7
357
355
353
386.4
384.4
382.4
404
402
Толщина стенки,
мм
7
8
9
10
12
7
8
9
10
12
7
8
9
10
12
7
8
9
10
12
8
9
10
11
12
9
10
11
12
9
10
11
12
9
10
11
12
9
10
11
12
10
11
12
Тип рекомендуемого
насосного оборудования
ЭЦВ 6
ЭЦВ 8
ЭЦВ 8
ЭЦВ 10
ЭЦВ 12
ЭЦВ 12
ЭЦВ 12
ЭЦВ 12
ЭЦВ 12
ЭЦВ 12
56
Фильтровая колонна. В зависимости от водовмещающих пород,
состояния и свойств водоупорных пород, кровли и подошвы водоносного
горизонта водоприемная часть скважины может быть бесфильтровой
или оборудована фильтром. Фильтры не устанавливаются в устойчивых
трещиноватых водоносных породах, а также при каптировании
водоносных горизонтов, залегающих под прочной водоупорной кровлей
(мощные пласты глин, известняков, песчаников) но, чаще всего,
гидрогеологические условия создают необходимость оборудования
скважины фильтром [1,11].
Фильтром называется нижний участок буровой скважины, в пределах
водоносного горизонта, закрепленный водопроницаемым устройством,
предназначенным для пропуска воды внутрь скважины и предохраняющий
водоприемную часть скважины от завалов в результате оплывания
и обрушения пород.
В основу подбора и расчета длины фильтра проектируемой скважины
принимаются следующие критерии [9]:
- обеспечение необходимой механической прочности при установке
фильтра в скважину;
- обеспечение коррозионной устойчивости на расчетный срок эксплу-
атации;
- обеспечение минимальных потерь напора при сохранении суффози-
онной устойчивости пород в прифильтровой зоне;
- поддержания стабильной работы в течение всего периода эксплуата-
ции скважины.
Фильтр состоит из водоприемной (рабочей) части, надфильтровых
труб и отстойника.
Изложенным выше требованиям соответствуют следующие
конструкции фильтров: дырчатые, щелистые, сетчатые и каркасностержневые.
Типы фильтров. Дырчатый фильтр представляет собой перфори-
рованную стальную трубу. Рабочая часть фильтра представлена трубой
с просверленными отверстиями, расположенными в шахматном порядке.
Отношение общей площади отверстий ко всей поверхности фильтрующей
части (скважность) должно соответствовать не менее 15%. Дырчатые фильтра
обычно применяются в гравелистых и крупнозернистых песках.
Щелистый фильтр также прост по устройству, что и дырчатый фильтр.
Ширина щелей, расположенных на рабочей части фильтра, устанавливается
в соответствии с механическим составом водоносной породы. Щелистый
фильтр обладает некоторыми преимуществами по сравнению с дырчатым.
Если в дырчатом фильтре зерна гравия и песка, накладываясь на отверстие,
могут полностью его закупорить, то при использовании щелистых фильтров
это исключается.
57
Каркасно-стержневой фильтр состоит из металлических стержней,
обмотанных проволокой круглого сечения диаметром 1.5-6 мм. Проволока
навивается с зазором, который определяется гранулометрическим составом водовмещающих пород. Каркасно-стержневые фильтры используются
в разнообразных по составу водоносных породах.
Сетчатый фильтр состоит из перфорированной трубы, обтянутой
сеткой. В качестве сеток используются различные материалы с различной
скважностью. Наиболее часто используются латунные и пластмассовые
сетки галунного, киперного и квадратного плетения. Сетчатые фильтры
в основном используются в средне- и мелкозернистых водоносных песках.
Общим недостатком сетчатых фильтров является повышенная
способность перекрытия отверстий мелкими частицами песка, что снижает
их фильтрационные свойства и может привести к кольматации. Для улучшения работы фильтров применяют гравийную обсыпку.
Расчеты водоприемной части фильтра. При выборе конструкций
фильтра необходимо соблюдать следующее условие [6, 9]:
где f – водозахватывающая способность фильтра,
Q – проектный дебит скважины, л/сек.
Водозахватывающая способность фильтра определяется по формуле:
где Vф – допустимая скорость фильтрации при входе воды в фильтр м/сек,
F - площадь фильтрующей поверхности (рабочая часть), м2.
Входящая скорость определяется по формуле Абрамова:
=65
где К – коэффициент фильтрации водоносного горизонта м/сутки, определяется по таблице 6.
Площадь рабочей части фильтра определяют по формуле:
где D – наружный диаметр фильтра, мм
L – длина рабочей части фильтра, мм
58
Ориентировочные значения коэффициента фильтрации
Таблица 6
Порода
Песок пылеватый
Песок мелкий
Песок средний
Песок крупный
Коэффициент
фильтрации, м/
сутки
0.5-1
2-5
6-15
16-30
Порода
Гравий
Галечник мелкий
Галечник средний
Галечник крупный
Коэффициент
фильтрации м/сутки
31-70
71-300
301-500
более 500
Длина рабочей части фильтра рассчитывается по формуле ТУ СН 14-57:
где Q – проектный дебит скважины, в м3/час;
ç – коэффициент скважности фильтровой сетки (0.3-0.4);
d – наружный диаметр фильтра, м;
v – допустимая скорость входа воды в скважину м/с (0.0025-0.005)
Для осаждения остающихся в фильтре частиц породы в нижней
рабочей части фильтра устанавливается отстойник (глухая труба)
Длина отстойника выбирается по ГОСТ 13-1872-42 (таблица 7)
Длины отстойника
Таблица 7
Глубина скважины, м Длина отстойника, м
До 15
16-30
31-90
более 90
1.5-2
не менее 3
не менее 5
не менее 10
Расчет количества гравийной обсыпки. В мелких и средних песках
для увеличения отбора воды и продления срока эффективного действия
скважин рекомендуется устанавливать фильтры с гравийной обсыпкой.
Кроме того, гравийная обсыпка служит важным конструктивным элементом,
позволяющим применять фильтры с большим размером проходных отверстий
и с большей скважностью.
В настоящее время в качестве гравийной обсыпки используются
песчано-гравийные смеси (ПГС), состоящие из просеянных крупнозернистых
и гравелистых песков следующих фракций (по крупности частиц): 0.4-0.7,
0.7-1.2, 1.2-2.0, 2.0-5.0 мм.
Гравийную обсыпку засыпают через устье (при глубине скважины до 100 м)
крупными порциями, так чтобы не было расслоения обсыпки. При глубинах скважин
более 100 м обсыпку ведут через питательные трубы диаметром от 70 до 100 мм.
Гравий засыпают в скважину с таким расчетом, чтобы его уровень был
выше кровли водоносного горизонта. Учитывая возможное снижение уровня
59
гравия при эксплуатации скважин, гравийную обсыпку делают с некоторым
запасом. Если же уровень гравия понизился до кровли водоносного горизонта,
то проводят дополнительную колонну (рис. 3);
Расчетный объем песчано-гравийной смеси для обсыпки фильтра,
определяется по формуле:
где D – диаметр бурения под фильтровую колонну, м;
d – диаметр фильтровой колонны, м;
L– длина рабочей части фильтра, м.
С учетом неизбежных потерь засыпаемого материала к расчетному
объему ПГС добавляется 15-20%.
Выбор водоподъемного оборудования. Для подъема воды из гидрогеологических скважин применяются следующие водоподъемники (насосы):
1) лопастные (центробежные, осевые, вихревые);
2) объемные (поршневые, диафрагмовые, ротационные);
3) эмульсионные (эрлифты);
4) водоструйные и др.
При залегании уровня подземных вод более 7метров используют
глубинные насосы, в случае, если уровень подземных вод менее 7метров,
насосы устанавливают на устье скважины. Вид насоса выбирают в зависимости
от проектного дебита скважины, глубины залегания динамического уровня,
диаметра скважины и других факторов [8].
Центробежные насосы ЭЦНВ, АП, ЭПН, АПВН, ЭЦВ
производительностью от 5 до 300 м3/ч и высотой подъема от 20 до 300м
применимы для скважин диаметром от 114 до 407 мм.
Штангово-поршневые насосы ОМЗ, ШНД производительностью
от 3 до 50 м3/ч и высотой подъема от 50 до 150 м применяются в скважинах
диаметром 115 мм и более. Такие насосы используются для кратковременных
откачек с приводом от станков ударно-канатного бурения.
В настоящее время в условиях Западной Сибири наиболее часто
применяются электрические погружные насосы типа ЭЦВ, технические
характеристики которых приведены в таблице 8.
Пример: 2ЭЦВ-6-16 Х, Г, ТР принято следующее индексирование:
2 – модуль, Э – электрический, Ц – центробежный, В – водоподъемный,
6 – внутренний диаметр обсадной колонны (150 мм), уменьшенный в 25 раз,
16 – производительность м3/час, 50 – высота напора, м: Х – для химически
загрязненных вод, ТР – для высокотемпературных (минеральных) вод.
Для прокачек скважин и всех видов откачек используется эрлифт. При
устройстве эрлифтных систем скважины оборудуются водоподъемными
и воздушными трубами, устанавливаемыми по различным схемам.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]