/
Author: Гаврилко В.М. Алексеев В.С.
Tags: водоснабжение очистка воды водопотребление бурение скважин регенерация скважин скважины
Year: 1985
Text
ВМ. ГАВРВЛХО
ВС. АЛЕКСЕЕВ
ФИЛЬТРЫ
БУРОВЫХ
скважин
§ 39. Ремонтопригодность фильтровых скважин при дискретном импульсном воздействии .......................................... . . 246
§ 40. Ремонтопригодность скважин при вибрационно-импульсном воздействии ............................................................... 249
ГЛАВА VII. Общие принципы разработки технологии восстановления дебита скважин на воду................................................. 254
•§41. Обоснование межремонтных периодов вод " юрных и дренажных скважин .... ................ .......................254
§ 42. Классификация методов регенерации скважин на воду .... 260
§ 43. Технологические принципы восстановления дебита скважин . . . 264
§ 44. Исследования кинетики процесса удаления кольматанта при реагентных и импульсно-реагентных методах регенерации........................267
Исследование кинетики растворения кольматанта в прифильтровой зоне скважин при различной технологии обработки........................... 269
Лабораторные и полевые исследования кинетики растворения кольматирую-щих образований различными реагентами ............................... 277
ГЛАВА VIII. Технология восстановления дебита и освоения скважии, оборудованных фильтрами . . . . .........................281
§ 45. Реагентное восстановление дебита скважин на воду................281
Реагенты для регенерации скважин ... . . . 281
Оборудование для реагентной регенерации.............................. 285
Технология реагентной регенерации скважин.............................286
§ 46. Импульсная регенерация скважин на воду . . .... 293
Оборудование для взрыва ТДШ в водозаборных скважинах .... 293 Восстановление дебита скважин методом электрогидравлического удара 295
Восстановление дебита скважин с помощью пневмоимпульса ... 300
§ 47. Вибрационно-ультразвуковые способы восстановления дебита скважин на воду ........ 304
Низкочастотная вибрационная и виброреагентная регенерация скважин 305
Электровибрационная регенерация скважин...............................314
Ультразвуковая регенерация скважин . . ....................316
§ 48. Комбинированное импульсно-реагентное воздействие на скважины 319 Взрыв ВВ в реагенте.............................................. . 319
Электрогидроудар в реагенте ........................................ 321
Пневмореагептная обработка скважин . ................'. . . 323
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................330
ВЛАДИМИР МАТВЕЕВИЧ ГАВРИЛКО ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ АЛЕКСЕЕВ
ФИЛЬТРЫ БУРОВЫХ СКВАЖИН
Редактор издательства Л. Ф. Маклакова Переплет художника Ю. Г. Асафова Художественный редактор В. В. Шутько Технический редактор Л. Г. Лаврентьева Корректор Г. Г. Волынова
ИБ № 4884
Сдано в набор 22.11.84. Подписано в печать 29.01.85. Т-04554. Формат бОХЭО’Лв. Бумага кн.-журнальная. Гарнитура «Литературная». Печать высокая. Усл. печ. л. 21,0. Усл. кр.-отт. 21,0. Уч.-изд. л. 24,13. Тираж 3950 экз. Заказ 643/8932—5. Цена 1 р. 50 к.
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19.
Московская типография №11 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., д. 1-
ВМ ГАВРИЛКО В.С АЛЕКСЕЕВ
ФИЛЬТРЫ БУРОВЫХ СКВАЖИН
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
G01648
МОСКВА „НЕДРА” 1985
УДК 628.112.4
Гаврилко В. М., Алексеев В. С. Фильтры буровых скважин. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1985. — 334 с.
В третьем издании (2-е изд. —1976) описаны современные фильтры для скважин на воду, освещены перспективы конструирования фильтров. Даны рекомендации по подбору фильтров в различных гидрогеологических условиях и при различных режимах водоотбора. Изложены рациональные методы установки фильтров при различных способах бурения скважин и их освоения. Уделено внимание методам восстановления производительности водозаборных и дренажных скважин.
Для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, бурением и эксплуатацией скважин на воду.
Табл. 81, ил. 130, список лит. — 44 назв.
Рецензент: М. И. Фазлуллин, канд. техн, наук (ВСЕГИНГЕО)
S Д С • J
„3206000000—149
Г043(01)—85----28°~86
© Издательство «Недра», 1985
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одна из характерных тенденций развития систем водоснабжения— увеличение доли подземных вод в общем балансе недопотребления. В настоящее время для водоснабжения в СССР используется около 800 м3/с подземных вод, в том числе для водоснабжения городов и промышленных предприятий 350 м3/с, для сель-хозводоснабжения 200 м3/с, для орошения земель 250 м3/с. Это составляет 13—17% общего недопотребления. В 62% городов для водоснабжения используются подземные воды, в 21%—поверхностные и подземные.
В большинстве зарубежных стран роль подземных вод в водоснабжении населения, промышленных предприятий и орошении -еще значительнее. Так, в США подземные воды составляют 20% общего водопотребления. Доля подземных вод в ФРГ достигает 75% от потребления для хозяйственно-питьевых целей, в ГДР — 46%, в Швейцарии — 45,5%, в Великобритании — 25%, в Финляндии— 32%>- В ФРГ отбирается более 60% балансовых запасов подземных вод, в ГДР — 65%, во Франции — 35%.
Доля использования подземных вод в СССР от прогнозных ресурсов не превышает 8%. Интенсивное наращивание объемов забора подземных вод потребует применения эффективного оборудования для сооружения и реконструкции основного вида каптажей— водозаборных скважин, общее число которых составляет миллион. Эффективность водозаборов подземных вод определяется конструктивными особенностями фильтров, способами их установки, освоения и эксплуатации скважин.
С 1972 г. в СССР организовано промышленное изготовление фильтров на Дрогобычском заводе, ряд конструкций фильтров выпускается на новосибирском заводе «Буровая техника» и других предприятиях. Наряду с традиционным выпуском фильтров па основе трубчатых каркасов, в промышленных условиях налаживается производство технологичных конструкций, удовлетворяющих требованиям небольших гидравлических сопротивлений, менее металлоемких, на основе стержневых, проволочных каркасов и с применением штампованных материалов. Однако номенклатура выпускаемых фильтров пока не достаточна, необходимо улучшить и их качество.
В настоящем издании обобщен отечественный и зарубежный опыт конструирования, промышленного производства фильтров и
з
их применения при оборудовании скважин на воду. В связи с особой актуальностью реконструкции действующих водозаборных сооружений впервые рассмотрены вопросы ремонтопригодности скважин, оборудованных фильтрами различных конструкций, и на основе анализа основных причин снижения производительности водозаборов охарактеризованы эффективные способы их регенерации.
Главы I и V написаны д-ром техн, наук В. М. Гаврилко, главы II, III, IV, VI—VIII, а также § 7 и 8 главы I — канд. техн, наук В. С. Алексеевым.
ГЛАВА I.
ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТРОВ
§ 1. Классификации фильтров скважин на воду
Фильтры — один из важнейших элементов конструкции скважин,, в конечном счете определяющий эффективность буровых работ и качество гидрогеологических исследований при разведке и оценке' запасов подземных вод, а также при получении достоверных сведений о режиме водоносных горизонтов. Развитие гидрогеологических исследований, увеличение объемов строительства водозаборных и дренажных сооружений привело к росту объемов производства фильтров для скважин на воду, которых только в централизованных условиях в нашей стране выпускается около 500 тыс. м в год.
Создание специализированного производства фильтров тесно связано с уровнем развития гидрогеологических, гидравлических исследований, со степенью разработанности конструкций фильтров, технологичности их производства как в нашей стране, так л за рубежом. За многие десятки лет производства фильтров конструкции их унифицированы, определены типоразмеры, для большинства конструкций проведены гидравлические исследования, в значительной степени изучены прочностные характеристики.
Анализ зарубежных и отечественных данных [14] свидетельствует о постоянном совершенствовании разработок в области конструирования фильтров, что в основном связано с созданием конструкций, обеспечивающих интенсивный водоотбор без песко-вания даже в случаях каптажа скважинами водоносных горизонтов в тонко- и мелкозернистых породах, с применением в этих конструкциях новых материалов, с приданием конструкции большей технологичности в изготовлении.
Классификация фильтров В. М. Гаврилко учитывает принцип усложнения водоприемных поверхностей. Согласно этой классификации, выделяются следующие группы конструкций:
а) фильтры дырчатые и щелевые с одинарной поверхностью фильтрации, изготовляемые из труб различных материалов;
б) фильтры с двумя поверхностями фильтрации, состоящие из рпорных трубчатых каркасов, покрытых сетками или тканями;
в) фильтры специальных конструкций, в которых или совсем отсутствуют трубчатые опорные каркасы, или они дополняются другими конструктивными элементами в виде проволочных спиралей, стержней, колец, насадок и др.;
г) фильтры гравийные, как опускные, изготовляемые на поверхности земли, так и создаваемые на забое скважин, при этом в качестве фильтрующих элементов используются гравийные обсыпки, контактирующие с породой и заменяющие собой сетчатые или иные фильтрующие поверхности.
5
Эта классификация, положенная в основу действующих в нашей стране нормативных документов, не учитывает очень важного аспекта — взаимодействия пород и фильтра в контактной зоне, а гидравлические исследования различных конструкций фильтров показывают, что основные потери напора приходятся на контактную зону каркаса (водоприемную поверхность) и гравийной обсыпки (водовмещающих пород).
С учетом этого фактора соответствующая классификация была дана Н. А. Карамбировым [10], который выделил: 1) фильтры, задерживающие частицы; 2) фильтры с отклонителем гравия; 3) гравитационные конструкции. Наибольшее распространение получили фильтры, задерживающие частицы, которые включают фильтры-каркасы и фильтры с дополнительной водоприемной поверхностью. В этих конструкциях эффект предотвращения песко-вания достигается таким подбором размера отверстия относительно размера частиц водоносных пород или гравийной обсыпки, при котором соблюдаются либо критерии геометрической непросыпае-мости, либо расчет ведется на формирование в контактной зоне естественного фильтра за счет сводообразующих частиц.
При этом неизбежны некоторые контактные гидравлические потери, достигающие максимума в случае, если фильтр имеет
ТАБЛИЦА 1
Разбивка круглых отверстий иа фильтрах, изготовляемых из стальных труб
Диаметр, мм Число Площадь сечения отверстий на 1 м трубы, м2 Расстояние между центрами отверстий, мм Скважность*, %
фильтра отверстий отверстий в ряду рядов отверстий на 1 м трубы
по окружности по длине трубы
100 10 16 60 0,08 22 17 20
13 14 55 0,1 25 18 28
16 10 50 0,1 35 20 28
И-Ч
150 10 23 60 0,11 22 17 22
13 20 55 0,14 25 18 23
16 14 50 0,14 35 20 28
19 12 40 0,14 42 25 28
200 10 28 60 0,13 23 17 19
13 26 55 0,19 25 18 28
16 18 50 0,18 36 20 27
19 16 40 0,19 41 25 28
22 12 40 0,18 55 25 28
250 10 36 60 0,17 23 17 20
13 32 55 0,23 26 18 28
16 26 50 0,26 35 20 31
19 20 40 0,24 42 25 28
22 16 40 0,24 53 25 29
25 14 30 0,2 60 33 29
* Отношение площади отверстий к общей площади боковой поверхности фильтра.
6
РИС. 1. Фильтры с трубчатыми каркасами:
а — с круглыми перфорированными отверстиями; б— с проволочной обмоткой; в — со штампованным листом
круглые перфорированные отверстия, диаметр которых^ равен dstr (dso — размер частиц водоносных пород или гравийной обсыпки, содержание которых в пробе составляет 50%)- Контактные потери уменьшаются соответственно при увеличении диаметра dso контактирующих с фильтром частиц.
Фильтры с отклонителем гравия характеризуются наличием элементов водоприемной поверхности, при которых исключается прямое наложение водоносных пород или гравийных частиц на фильтр. В качестве таких элементов используются мостообразные отверстия, козырьки и сложный профиль фильтровых отверстий, а также ребристая водоприемная поверхность.
В гравитационных конструкциях делают широкие водоприемные отверстия, в которых грунт удерживается от выноса под действием силы тяжести. К ним относятся колокольные, чашечные, тарельчатые, зонтичные, донные и другие конструкции. Особую группу составляют фильтры блочного типа.
Каждая группа фильтров имеет оптимальную область применения, в то же время в ряде случаев они взаимозаменяемы. В каждом конкретном случае применимость той или иной конструкции определяет-
ся многими факторами: механической прочностью, коррозионной устойчивостью, экономичностью.
Фильтры скважин на воду должны обеспечивать свободный доступ воды в скважину, надежно защищать ее от пескования при минимальных гидравлических потерях, обеспечивать устойчивую работу скважин в течение длительного времени, а в случае коль-матажа допускать возможность проведения восстановительных мероприятий с использованием различных реагентов-растворителей или комбинированного импульсного и реагентного восстановления скважин.
§ 2. Фильтры из стальных труб
Наиболее распространены фильтры, изготовляемые из обсадных и безмуфтовых труб, что объясняется наличием их на месте проведения работ, а также простотой механического оборудования,
7
ТАБЛИЦА 2
Основные параметры и размеры фильтров на основе трубчатых каркасов (ТУ 51-644—74)
Типоразмер секции фильтров Диаметр, мм Масса секции, кг Скважность, %
наружный внутренний
Фильтры трубчатые перфорированные
Т-5Ф1В 168 132 69 13,5—22,5
Т-6Ф1В 188 152 91 13,5—19,3
Т-10Ф1В 245 203 118 15,0—18,1
Т-10Ф1В 299 255 168 17,6—18,5
Т-12Ф1 325 307 195 18,5
Т-14Ф1 377 259 227 18,5
Т-16Ф1 426 408 259 18,0
Фильтры трубчатые с проволочной обмоткой из нержавеющей стали
ТП-5Ф2В 168 132 82 80 13,5—22,5 -13,5—22,5
ТП-6Ф2В 188 152 106 13,5—19,3
103 13,5—19,3
ТП-8Ф2В 245 203 136 15,0—18,1
133 15,0—18,1
ТП-10Ф2В 299 255 203 17,6—18,5
198 17,6—18,5
ТП-12Ф2 341 307 229 18,5
ТП-14Ф2 393 259 266 18,5
ТП-16Ф2 442 х 408 304 18,5
Фильтры трубчатые с просечным листом из нержавеющей стали
ТЛ-5Ф4В 168 132 82 15,0-25,0
ТЛ-6Ф4В 188 152 107 15,0—25,0
ТЛ-8Ф4В 245 203 137 15,0—25,0
ТЛ-10Ф4В 299 255 190 15,0—25,0
ТЛ-12Ф4В 339 307 223 15,0—25,0
ТЛ-14Ф4 391 359 259 15,0—25,0
ТЛ-16Ф4 440 408 294 15,0—25,0
Примечания: 1. На фильтры диаметром до 254 мм навивается проволочная спираль
диаметром 2 мм, а на фильтры диаметром 254 мм и более — 3 мм. 2. Проволока наматывается на фильтры с зазором (просветом) 1,5 и 2,5 мм. 3. Длина секции фильтра составляет 3100±15 мм.
необходимого для сверления проходных отверстий; их можно изготовлять в любых механических мастерских.
Отверстия круглой формы просверливают на станках. Диаметр отверстий зависит от назначения фильтра. При устройстве его в песках с крупными частицами диаметр отверстий составляет 5—7 мм; если каркас покрывают сеткой, проволокой или тканью, диаметр проходных отверстий может быть увеличен до 10—25 мм. Круглые проходные отверстия на трубах обычно располагают в шахматном порядке. Расстояния между центрами отверстий по окружности зависят от Диаметра труб и находятся в пределах 20—40 мм, вдоль оси труб — 20—30 мм. При разбивке
8
отверстий на фильтрах, изготовляемых из стальных труб и предназначаемых в качестве каркасов для сетчатых фильтров, рекомендуется пользоваться данными Я. С. Суреньянца, приведенными в табл. 1.
Дрогобычский завод выпускает фильтры на основе цельнотянутых стальных труб с круглыми перфорированными отверстиями. На этих фильтрах можно устанавливать водоприемные поверхности из проволочной обмотки и тонкого листа нержавеющей стали со штампованными отверстиями при скважности 15—25%. Общий вид этих фильтров показан на рис. 1, а техническая характеристика приведена в табл. 2.
§ 3. Фильтры с водоприемной поверхностью из металлических и синтетических сеток
В водоносных горизонтах, представленных песками, очень часто применяют фильтры с трубчатыми (дырчатыми и щелевыми) или стержневыми каркасами, которые обтягивают сетками. В настоящее время изготовляют сетки из стали, меди, латуни, нержавеющей стали, пластических масс, поливинилхлорида, нейлона, полистирола, а также из стеклянного волокна.
Фильтры с металлическими сетками из меди, латуни и нержавеющей стали
Конструкция фильтров с водоприемной поверхностью из сеток — одна из наиболее распространенных. Рабочая часть сетчатого фильтра состоит из опорного каркаса 1, представляющего собой металлическую дырчатую или щелевую трубу; проволочной спирали 3 при подкладочной сетке с крупными ячейками 2, накладываемой на опорный каркас для обеспечения более свободного доступа профильтровавшейся воде к проходным отверстиями каркаса; фильтрационной сетки 4, которой покрывается каркас, и накладных планок 5 (рис. 2).
Фильтры с металлическими сетками имеют следующие преимущества:
возможность установки их в скважинах практически на любую глубину при минимальном зазоре между обсадной колонной и каркасом фильтра (до 50 мм);
возможность централизованного изготовления или на месте сооружения скважин;
возможность использования воды из рыхлых пород с широким диапазоном их гранулометрического состава.
Следует, однако, отметить, что сетчатые фильтры имеют и недостатки: большие гидравлические сопротивления; быстрое разрушение и кольматация их при использовании разноименных металлов (медь или латунь на стальной трубе) под влиянием электрохимической коррозии; необходимость применения для их изготовления дефицитных материалов (медь, латунь, олово).
9
РИС. 2. Сетчатый фильтр: а —> общий вид; б, в — детали
Сетчатые фильтры должны иметь ограниченную область применения: их можно использовать для временного водоснабжения и водопонижения или в таких гидрогеологических и гидрохимических условиях, где работа фильтров проверена практикой долголетней эксплуатации. Наиболее распространены сетки, изготовляемые нз цветных металлов (латуни, меди, реже бронзы). По
ТАБЛИЦА 3
Основные данные проволочных сеток квадратного плетения нормальной плотности
Номер сетки Диаметр проволоки мм Число Номиналь-ный размер стороны ячейки в свету, мм Площадь сечения сетки, % Масса ! м2 латунной сетки, кг
, проволок на 26 мм сетки ячеек на 1 см2 сетки
2,60 0,50 32 10,4 2,6 70,3 1,14
2,50 0,50 33 11,2 2,5 70,0 1,18
2,00 0,50 40 16,0 2,0 64,0 1,41
1,60 0,45 49 23,8 1,6 60,8 1,39
1,25 0,40 59 34,6 1,3 58,5 1,-33
1,00 0,35 74 54,9 1,0 55,0 1,23
0,90 0,35 80 64,0 0,9 41,3 1,38
0,80 0,30 91 82,6 0,8 53,0 1,20
0,70 0,30 99 98,0 0,7 48,0 1,27
0,63 0.25 114 130,0 0,6 48,0 1,00
0,60 0,25 118 139,0 — 49,8 1,04
0,56 0,23 126 160,0 0,6 51,0 0,97
0,50 0,22 139 193,0 0,5 48,2 0,94
0,45 0,18 159 252 0,45 50,9 0,72
0,42 0,15 125 308 0,42 54,0 0,55
0,4 0,15 182 331 0,40 53,0 0,58
0,355 0,15 200 400 0,35 49,0 0,63
0,28 0,14 238 567 0,28 44,5 0,65
0Д5 0,13 264 694 0,25 43,3 0,62
0,224 0,13 278 763 0,22 40,8 0,66
0,2 0,13 303 918 0,20 36,7 0,72
0Д8 0,13 323 1040 0,18 33,8 0,76
0,16 0,12 385 1480 0,16 32,7 0,72
0,15 0 1 400 1600 — 36,0 0,56
0,14 0 09 435 1890 0,14 38,0 0,56
0,125 0^09 465 2130 0,12 33,8 0,54
0,112 0,08 515 2630 0,11 34,7 0,46
0,105 0,075 566 3140 — 37,0 0,43
0’1 0,07 588 3460 0,1 34,6 0,40
типу плетения эти сетки делятся на квадратные (простого плетения), гладкие (галунные) и киперные.
Квадратная сетка состоит из проволок равного сечения (круглого или квадратного), переплетающихся под прямым углом. Эти сетки употребляются в фильтрах при добыче воды из крупнообломочных отложений (гравий, галька) или в качестве подкладочной (опорной) сетки при опайке фильтров тонкими сетками (табл. 3).
Гладкая (галунная) сетка состоит из продольных проволок утолщенного сечения (основы) и поперечных тонких проволок
11
ТАБЛИЦА 4
Основные данные фильтровых сеток галунного плетения
Номер сетки Диаметр проволоки, мм Размер ячейки, мм Материал Масса 1 м2 сетки, кг
Основа Уток
6/70 0,70 0,40 0,34 Д-68 3,79
<7770'4 0,60 0,40 0,34 Л-68 3,68
8/55 0,60 0,50 0,34 Л-68 4,46
8/70 0,60 0,40 0,34 Л-80 3,83
8/80 0,50 0,35 0,34 Л-80 3,30
10/70 0,50 0,40 0,32 Л-80 3,74
10/80 0,50 0,33 0,32 Л-80 3,05
10/90 0,45 0,30 0,27 Л-80 2,75
10/100 0,45 0,30 0,27 Л-80 2,68
ЛЖ. 0,45 0,30 0,27 Л-80 2,86
ТГ/ЭО 0,45 0,30 0,27 Л-80 3,10
14/100 0,45 0,28 0,25 Л-80 3,04
16/100 0,40 0,25 0,23 Л-80 2,82
18/130 0,32 0,22 0,17 Л-80 2,30
20/160 0,28 0,18 0,14 Л-80 2,00
Примечание. Сетка выпускается при ширине полотна от 500 до 1500 мм.
(утка). В отличие от сеток квадратного плетения уток в сетках гладкого плетения состоит из проволок, плотно прижатых друг к другу, в результате чего отверстия принимают извилистую форму. В практике водоснабжения обычно применяются гладкие сетки одинарного плетения. При выборе сеток важно знать номер, по которому ориентировочно судят о размерах проходных отвер-
ТАБЛИЦА 5 »
Основные данные проволочных фильтровых сеток гладкого плетения (ГОСТ 3187—76)
Номер сетки Номинальный диаметр проволоки,’мм Расчетная масса 1 м2 сетки, кг Номер сетки Номинальный диаметр проволоки, мм Расчетная масса 1 м2 сетки, кг
Основа Уток Основа Уток
24 0,70 0,40 3,38 64 0,35 0,22 2,01
28 0,60 0.40 3,28 68 0,35 0,22 2,06
32 0,60 0,40 3,36 72 0,30 0,20 1,82
36 0,50 0,40 3,20 76 0,30 0,20 1,83
40 0,50 0,35 3,10 80 0,28 0,18 1,62
44 0,45 0,30 2,61 90 0,28 0,16 1,52
48 0,45 0,30 2,63 100 0,25 0,16 1,52
52 0,45 0,28 2,66 120 0,22 0,16 1,52
56 0,40 0,28 2,49 1.60 0,20 0,14 1,44
60 0,40 0,28 2,54 200 0,18 0,12 1,21
Примечание. По ГОСТ 3187—76 могут нержавеющей стали и других материалов.
выпускаться сетки
на меди, латуни, бронзы,
12
стай. Номер сеток определяют по числу проволок основы и утка. Например, галунная сетка 14/100 — это значит, что основа сетки состоит из 14 проволок, а уток — из 100 проволок, приходящихся на 26 мм. Характеристики гладких сеток приведены в табл. 4 и 5.
При оборудовании скважин наиболее распространены гладкие сетки, применяемые для мелко- и среднезернистых песков, и сетки
квадратного плетения для песков разно- и крупнозернистых. Сетки киперного плетения употребляются редко.
Проволочную подмотку на сетчатых фильтрах применяют для создания большего дренирующего эффекта общей рабочей поверхности. При натягивании сетки на трубчатый перфорированный каркас без проволочной подмотки обеспечивается фильтрация воды только на участках наложения сетки на проходные отверстия, в то время как остальная часть рабочей поверхности фильтра в отборе воды не участвует. До недавнего времени для подмотки использовали простую стальную или оцинкованную проволоку диаметром 3—5 мм. Однако, как показал опыт, такая проволока быстро коррелирует.
В связи с появлением новых синтетических материалов, кроме проволоки из нержавеющей стали, применяют хлорвиниловую проволоку, стальную проволоку с хлорвиниловым покрытием, резиновый шнур и др.
При обтяжке металлических (стальных) каркасов фильтров (с круглыми или щелевыми отверстиями) сетки из меди, латуни и нержавеющей стали припаивают с использованием олова или сшивают. При установке сетки необходимо следить за тем, чтобы проволока основы располагалась по окружности фильтра, а проволока утка — по образующей. При таком расположении сетки на каркасе гарантируется большая безопасность.возможного раздвижения про-
РИС. 3. Фильтр с перфорированной гофрированной сеткой из винипласта, установленной под латунную сетку
волок утка сетки при спуске и обнажении фильтра.
В практике, однако, часто применяют фильтры, опаянные сеткой с обратным расположением проволок основы и утка, причем опайка бывает двух видов. В первом случае при обтяжке каркаса сеткой один край ее припаивают к каркасу фильтра по образующей, а другой край припаивают на первый внахлестку с припуском сетки на 8—10 мм. Шов при такой опайке получается шероховатым с различной толщиной слоя припоя по длине. В дру-
13
гих случаях при соединении сеток вдоль швов накладывают пластинки из меди и латуни и припаивают их. В некоторых случаях при обтяжке фильтров сетки сшивают.
В последние годы для борьбы с электрохимической коррозией В. М. Гаврилко было предложено защищать стальные каркасы 1 антикоррозийными покрытиями. Для разобщения электрического поля, возникающего вследствие применения в фильтрах разноименных металлов (медь — железо), также было рекомендовано под латунные сетки 2 устанавливать перфорированные гофрированные сетки из винипласта 3 (рис. 3). Натянутая на каркас гофрированная сетка из винипласта выполняет роль дренажа, поэтому в скважинах средних глубин отпадает необходимость в подмотке на каркас проволочной спирали. Для закрепления латунной сетки на пластмассовой их можно спаять или сшить.
Для защиты от электрохимической и химической коррозий в зарубежной практике в фильтрах фирмы «Хагуста» (ФРГ) применяют простые стальные сетки галунного плетения, имеющие плотное резиновое покрытие (типа эбонита), которое наносится на проволоку основы и утка электрофоретическим способом, причем покрывается не каждая проволока в' отдельности, а все сотканное полотно.
Фильтры с сетками из пластических масс
Металлические сетки из меди и латуни, а также сетки из менее дефицитных и достаточно устойчивых антикоррозийных материалов можно заменять сетками из пластических масс, вырабатываемых на основе поливинилхлорида. В отечественной промышленности этот термопластический материал получил наименование винипласта. В настоящее время применяются сетки из винипласта двух видов: штампованные с круглыми и плетеные с квадратными отверстиями. Штампованные сетки выпускают простые и гофрированные.
В номенклатуре химических товаров это пленка, перфорированная из винипласта (ГОСТ 15976—81):
Ширина полотна, мм................................. 400—600
Толщина, мм.........................................0,5—0,75
Диаметр отверстий, мм.................................2,8
Скважность, %.......................................54—55
Масса 1 м2 сетки, г................................ 380—400
Для фильтров целесообразнее применять гофрированную сетку, так как ее поверхность будет способствовать улучшению сводообразования породы, прилегающей к фильтру, и пропуску воды к проходным щелям опорного каркаса. В гофрированных сетках высота гофра достигает 1,8 и 2,5 мм при шаге соответственно 5 и 6 мм.
К недостаткам выпускаемых сеток следует отнести слишком большой размер проходных отверстий (2,8 мм), что затрудняет их применение в мелко- и среднезернистых песках.
Указанные сетки на первом этапе внедрения использовали bi
14
качестве фильтрующего покрытия при отборе воды из гравелистых песков, а также при устройстве фильтров в мелкозернистых песках с гравийной обсыпкой. Фильтры такой конструкции применяли при оборудовании водозаборных и водопонизительных скважин. Гофрированные сетки в качестве подкладочных применяются в фильтрах из стеклоткани в скважинах пьезометрической наблюдательной сети.
В ФРГ выпускают сетки тканые из отдельных проволок, что
позволяет получать размер отверстий широкого диапазона. Такие сетки применяются в виде самостоятельных водоприемных покрытий или в качестве вспомогательных в фильтрах кожухового типа, а также для разделения обсыпок при устройстве двух- и трехслойных фильтров.
Сетки квадратного плетения из пластмасс изготовляют аналогично металлическим сеткам на ткацких станках. Более частые сетки употребляют в качестве фильтрующей покровной ткани, а более крупные (редкие)—в качестве подкладочной (рис. 4).
В настоящее время фирма «Саран» (ФРГ) выпускает сетки квадратного плетения из сарана, полиэтилена и полистирола. Их техниче-
РИС. 4. Фильтр с подкладочной 1 и фильтрационной 2 сетками из пластических масс
ские характеристики приведены в табл. 6.
В последние годы в СССР и за рубежом начали выпускать сепараторную сетку из поливинилхлорида, получаемую методом просечки-вытяжки. При производстве сетки этим методом нет отходов, а вытяжка ее позволяет из 1 м2 поливинилхлоридной пленки получить сетку площадью 2—2,2 м2, что значительно снижает ее стоимость. Технология изготовления таких сеток позволяет получать отверстия различных размеров при скважности в диапазоне от 10 до 85%. Такие сетки могут применяться в конструкциях фильтров в качестве подкладочной сетки или при устройстве кожуховых гравийных фильтров.
Каркасы фильтров с сетками из пластических масс могут служить металлические, асбестоцементные, пластмассовые, деревянные и другие трубы. Металлические и асбестоцементные дырчатые трубы для предохранения от коррозии целесообразно перед натягиванием на них сеток покрывать асфальтовым или перхлорвиниловым и другими лаками. Сетки из пластических масс на каркасах с широкими проходными отверстиями не обладают достаточной механической прочностью и способны втягиваться и продавливаться в отверстия под давлением. Поэтому в трубах
15
необходимо либо сверлить или фрезеровать отверстия диаметром не более 7—8 мм, либо сетку наматывать в два или три слоя для повышения механической прочности ее при продавливании.
Двухслойную намотку сетки можно рекомендовать также и для уменьшения просвета проходных отверстий; при наложении сетки в несколько слоев происходит смещение отверстий. При оборудовании фильтра сеткой в два слоя ее наматывают под углом 35—40° к оси трубы непрерывной лентой (как при бинтовании). По мере намотки во избежание раскручивания сетку привязывают к трубе шпагатом или мягкой вязальной проволокой.
Сетка из винипласта крепится на трубах следующим образом: вдоль каркаса трубы по образующей или по линии намотки сет-
ТАБЛИЦА 6
Сетки для фильтров из синтетических материалов, выпускаемые фирмой «Саран»
Номер сетки Масса 1 м2, г Толщина нити, мм Размер отверстия, мм Номер сетки Масса 1 м2, г Толщина нити, мм Размер отверстия, мм
85/0,16 330 0 16 0,15 20/0,30 240 0,30 1,00
50/0,23 350 0,23 0,29 16/0,38 290 0,38 1,25
35/0,23 240 0,23 0,51 10/0,60 470 0,60 2,00
28/0,30 320 0,30 0,63 8/0,90 700 0,90 2,35
28/0,38 460 0,38 0,55 5/1,50 1100 1,50 4,00
24/0,38 420 0,38 0,70
Примечание. Нормальная ширина сетки 100 см, другая ширина может быть выполнена по требованию заказчика; допускается отклонение от номинальной ширины 1 см.
ки под углом очищают от ржавчины узкую полоску шириной 10— 15 мм, после чего протирают чистой тряпкой или ватой, смоченной бензином. На очищенную поверхность кисточкой наносят слой универсального клея. Нанесенный на трубу клей на воздухе полимеризуется через 20—30 мин. Один край сетки из пластических масс приклеивают к шву; а другим огибают трубу и обрезают с запасом 1—1,5 см для наклейки внахлестку. Второй край сетки наклеивают на первый через несколько часов. На время высыхания клея сетку обматывают витками проволоки или шпагата, которые через сутки после высыхания клея снимают. После обтяжки фильтра сеткой из пластических масс по образующей фильтра прикрепляют проволокой три-четыре деревянные рейки для предохранения ткани от повреждения при спуске фильтра и его обнажении.
Если скважина пробурена в мелкозернистых песках глубиной до 20—30 м, то можно использовать сетчатые фильтры из пластических масс, применяя одновременно обсыпку из мелкого гравия. Для этого необходимо пробурить скважину конечным диаметром 150 мм и установить фильтр диаметром 62—75 мм; пространство между фильтром и трубой во время подъема обсадных труб следует засыпать мелким гравием.
Сетки из пластических масс в скважинах для водоснабжения начали применять в 1948 г. Позднее эти сетки применялись тре-
16
стом «Союзшахтоосушение» при устройстве фильтров для водопонижения при проходке шахтных стволов.
Очередными задачами в дальнейшем использовании сеток из пластических масс для фильтра являются: организация выпуска сеток из пластических масс с отверстиями различных диаметров; расширение области применения сеток из пластических масс в скважинах режимных наблюдений, в неглубоких скважинах, предназначенных для водоснабжения и использования подземных вод, которые характеризуются большой минерализацией и агрессивностью.
§ 4. Фильтры из штампованных листовых материалов
Штампованные листовые материалы в конструкциях фильтров можно применять в качестве водоприемных поверхностей в сочетании с опорными каркасами (трубчатыми, стержневыми) либо в качестве самостоятельных конструкций, в которых водоприемная поверхность и каркас совмещены. Отечественной промышленно-
РИС. 5. Штампованный лист с круглыми (а) и прямоугольными (б) проходными отверстиями:
at — ширина отверстия; s — длина отверстия; t, ti, it — расстояния между центрами отверстий
стью освоены и широко используются изделия из штампованных листовых материалов. Их применение позволит в большинстве случаев отказаться от цельнотянутых стальных труб и перейти к изготовлению каркасов из арматурной стали, в результате чего снизятся металлоемкость и масса конструкций.
Харьковский завод им. М. В. Фрунзе выпускает штампованный листовой материал с проходными отверстиями любой заранее заданной формы из простой стали, латуни, „нержавеющей стали, оцинкованного железа и др. Листы с просечными круглыми отвёр-
ЫЧ 648 .
17
2.-643
стиями показаны на рис. 5, а. Диаметр отверстий а изменяется от 0,7 до 45 мм при скважности от 17 до 68%. При использовании перфорированного листа в качестве водоприемной поверхности фильтров наиболее предпочтительными будут отверстия диаметром от 0,7 до 5 мм (табл. 7).
ТАБЛИЦА 7
Решетные полотна типа 1 (исполнения а и б)
Номинальный рабочий раз-
Номер полотна Средний шаг t площадь сечения (средняя Толщина полотна
мер отверстия а расчетная)
7 0,7 1,6 0,17
8 9 0,8 0,9 1,6 1,9 0,23 0,20 0,5—0,7
10 1,0 1,9 0,25
11 1,1 2,2 0,23
12 1,2 2,2 0,27
13 1,3 2,5 0,24 0,5—0,8
14 1,4 2,5 0,28
15 1,5 2,8 0,26
16 1,6 2,8 0,30
17 1,7 3,1 0,27
18 1,8 3,1 0,31
19 20 1,9 2,0 3,4 3,4 0,28 0,31 0,8—1,0
21 2,1 3,6 0,31
22 2,2 3,6 0,34
24 2,4 4,0 0,33
25 2,5 4,0 0,35
26 2,6 4,5 0,30
28 2,8 4,5
30 3,0 5,2 0,40
32 3,2 5,2 0,34
34 3,4 5,2 0,39
36 3,6 5,2 0,43 1,0-1,2
38 3,8 6,0 0,36
40 4,0 6,0 0,40
42 4,2 6,0 0,44
45 4,5 7,0 0,37
48 4,8 7,0 0,43
50 5,0 7,0 0,46
Примечание. Размеры даны в мм.
Прямоугольные отверстия просечного листа, расположенные полосами или в шахматном порядке, имеют ширину от 0,5 до 18 мм, длину от 8 до 50 мм при скважности от 17 до 67% (рис. 5,6). При использовании листа для водоприемной поверхности фильтра ширина проходных отверстий от 0,5 до 5 мм. Просечной лист с другой формой отверстий выпускается согласно ОСТ 23-2-405—72 (табл. 8).
18
ТАБЛИЦА 8
Решетные полотна типа 2 (исполнения виг)
Номер полотн Номинальный размер отверстия «1 Длина отверстия S Средний шаг Относительная площадь сечения (средняя расчетная) Толщина полотна
/2
5 0,5 8 2,0 12 0,17 0,5—0,7
6 0,6 8 2,0 12 0,20
7 0,7 10 2,2 14 0,23
8 0,8 10 2,2 14 0,26 0,5—0,8
9 0,9 10 2,2 14 0,26
10 1,0 10 2,5 14 0,29
11 1,1 12 2,8 17 0,28
12 1,2 12 2,8 17 0,30
13 14 1,3 1,4 12 12 3,1 3,1 17 17 0,30 0,32 0,8—1,0
15 1,5 12 3,4 17 0,31
16 1,6 12 3,4 17 0,33
17 1,7 16 3,6 21 0,36
18 1,8 16 3,6 21 0,38
19 1,9 16 3,9 21 0,37
20 2,0 16 3,9 21 0,39 1,0—1,2
21 2,1 16 3,9 21 0,38
22 2,2 16 4,2 21 0,40
24 2,4 20 4,5 25 0,43
25 2,5 20 4,5 25 0,44
26 2,6 20 4,5 25 0,40
28 2,8 20 5,2 25 0,43
30 3,0 20 5,2 25 0,46
32 3,2 25 6,0 30 0,44
34 3,4 25 6,0 30 0,47
36 3,6 25 6,0 30 0,50
38 3,8 25 7,0 30 0,45 1,0—1,4
40 4,0 25 7,0 30 0,48
42 4,2 25 7,0 30 0,50
45 4,5 32 8,0 30 0,47
48 4,8 32 8,0 38 0,51
50 5,0 32 8,0 38 0,53
Примечание. Размеры даны в мм.
При изготовлении штампованного листа из нержавеющей стали толщиной I мм с щелями размером 2X15 мм была получена скважность 20%, а при размере щели 5X25 мм — 35%. Между отверстиями по продольной оси может быть создан гофр (рис. 6,а), который придает листу большую жесткость в продольном' направлении. Прямоугольные отверстия могут быть также с нависающими козырьками (рис. 6,6), которые создают благоприятные условия для образования гравийной обсыпки на контуре фильтра.
Процесс изготовления фильтров с применением листовых штампованных материалов прост: листы сворачивают в цилинд
ры по диаметру опорных каркасов и прикрепляют к ним с помощью заклепок или сваркой. Наиболее перспективным материалом следует считать листовую нержавеющую сталь толщиной 0,8—1 мм, которая отличается коррозионной устойчивостью и не требует особых защитных покрытий.
Фильтры со штампованной водоприемной поверхностью на основе стержневых каркасов рекомендуется устанавливать в скважинах глубиной до 200 м. Глубина установки фильтров на основе каркаса из стальной бурильной трубы практически не ограничена. Штампованные фильтры просты в изготовлении и имеют
РИС. 6. Штампованный лист с прямоугольными отверстиями: а — с продольными ребрами жесткости; б — с нависающими .козырьками
точное положение щелей на водоприемной поверхности. Освоен серийный выпуск этих фильтров. К недостаткам штампованных фильтров относятся: наличие острых кромок в проходных отверстиях и относительно небольшая толщина фильтрующей поверхности (0,8—1 мм), т. е. отсутствие запаса прочности на случай коррозионного разрушения.
При штамповке нержавеющего листа толщиной 0,8—1 мм минимальная ширина щели составляет 1,5 мм. Следовательно, такие фильтры можно устанавливать без обсыпки в крупнозернистых и гравелистых песках. В мелко- и тонкозернистых песках необходима обсыпка, которую для глубоких скважин можно выполнять с применением кожуха, а в неглубоких гравий засыпается непосредственно в скважины. Так как жесткость фильтров из штампованного металлического листа недостаточна, их применяют в комбинации с опорными каркасами из стальных стержней или перфорированных труб. В этих конструкциях штампованный лист свальцовывают и укрепляют на каркасе заклепками или сваркой.
Штампованный лист из нержавеющей стали на трубчатых щелевых каркасах применяют в тресте «Союзшахтоосушение». Из-
20
готовляют эти фильтры на ремонтно-механической базе в Туле. В отличие от просечного листа, изготовляемого в Харькове, лист штампуется по принципу просечки-вытяжки. В этом процессе лист просекается по длине заданного отверстия и края отгибаются на требуемую ширину щели,-Такая технология позволяет просекать щели в широком диапазоне диаметров.
РИС. 7. Фильтр с просечным листом на стержневых каркасах ।
РИС. 8. Фильтры с просечными конусными отверстиями:
а — В. Г. Ильина; б — И. Д. Куликова; 1 — подкладная проволока; 2 — опорный каркас;
3 — водоприемная поверхность из просечного листа
Производство штампованного листа с необходимым размером отверстий также организовано на Дрогобычском экспериментальном заводе. Просечной лист на стержневых каркасах показан на рис. 7.
ВСЕГИНГЕО Министерства геологии СССР рекомендует применять фильтр с водоприемной поверхностью из просечного листа с проходными конусными отверстиями (ФКО). Аналогичная конструкция фильтра была предложена в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте в 1949 г. Конструкции фильтров с конусными просечными отверстиями (СФКО), предложенные в
21
1949 и 1967 гг., показаны на рис. 8. По рекомендации этого института, для отбора воды из песков различного гранулометрического состава фильтры с коническими отверстиями делятся на три группы с параметрами, которые выбираются согласно данным табл. 9.
ТАБЛИЦА 9
Подбор фильтров ФКО в зависимости от гранулометрического состава пород
Состав пород Диаметр отверстия конуса, мм Высота конуса, мм
Пески пылеватые мелкозернистые (dM=0,l мм) Пески мелкозернистые (rf6o=O,l 4-0,25 мм) Пески среднезернистые (</60= 0,254-0,5 мм) - 1 1,2—1,5 1,5—2,0 2,5—3,0 3,0—3,5 3,0-3,5
В соответствии с рекомендациями в лабораторных и опытнопромышленных испытаниях применяли штампованные оболочки. Характеристика их приведена в табл. 10.
Фильтры ФКО рекомендуется устанавливать для отбора воды из мелко- и тонкозернистых песков без применения гравийной обсыпки.
Анализ материалов, собранных ВСЕГИНГЕО по работе фильтров в разведочных и эксплуатационных скважинах, а также данные лабораторных исследований позволили установить, что при
ТАБЛИЦА 10
Зависимость скважности штампованных оболочек фильтров ФКО от диаметра отверстий и расстояния между ними
Номер модели Диаметр отверстий, мм Шаг между отверстиями, мм Скважность фильтрующей оболочки, % Номер модели Диаметр отверстий, мм Шаг между отверстиями, мм Скважность фильтрующей оболочки, %
1 . 0,8 10x10 0,4 7 1 5 20x20 0,5
2 1,5 6x6 5,0 8 2,0 6X6 8,8
3 1,5 7X7 3,8 9 2,0 8X8 5,1
4 1,5 8X8 1,76 10 2,0 10x10 3,1
5 1,5 10X10 1,8 11 2,5 10x10 5,3
6 1,5 15X15 0,9 12 2,5 15x15 2,4
откачках из песков, представленных рыхлыми отложениями, наблюдается длительное пескование скважин. В сцементированных песках после выноса некоторого объема песка работа фильтров стабилизируется, а в других случаях после включения насосов под действием гидроудара пескование вновь возобновляется.
На данном этапе ФКО не прошли необходимой проверки для сравнения с фильтрами других конструкций и не могут быть рекомендованы для применения в скважинах, рассчитанных на дли-
22
ТАБЛИЦА 11
Просечной лист для фильтров с проходными отверстиями открытого типа
i Длина щели б Ширина Толщина листа Скважность, %
щели а перемычки по вертикали г перемычки по горизонтали в
20 1,0 6 2 1,5 25,3
1,0 6 2,5 1,5 21,8
1,5 4 2 2,0 35,2
2,0 5 3 2,5 31,3
2,5 5 3 3,0 35,4
3,0 4 3 2,0 40,3
3,0 6 3 4,0 37,3
3,5 6 3,5 3,0 37,0
> 4,0 6 4 5,0 36,8
4,5 4 3,5 2,0 44,5
5,0 5 5 5,0 37,9
к 5,0 6 4 6,0 40,4
6,0 7 6 8,С 34,6
7,0 6 5 5,0 41,6
7,0 7 5 5,0 40,0
8,0 6 5 3,0 43,3
10,0 6 5 5,0 45,7
) 25 1,5 5 2,5 2,0 30,8
2,5 7 5 4,0 25,5
3,0 5 3 4,0 40,8
3,5 5 5 5,0 33,2
4,0 5 5 5,0 36,0
4,5 5 5 5,0 37,9
5,0 5 4 5,0 44,4
5,5 5 3,5 2,0 48,5
6,0 5 4 2,0 47,3
% 6,0 7 6 8,0 37,0
7,0 7 6 3,0 42,8
8,0 5 5 6,0 47,7
30 5,0 10 5 5,0 36,2
6,0 7 6 6,0 38,8
t> 8,0 10 7 8,0 37,8
9,0 6 6 2,0 46,7
10,0 6 5 6,0 51,5
35 4,0 5 4 4,0 42,7
6,0 5 4 5,0 50,6
6,0 5 5 5,0 46,0
7,0 8 7 6,0 39,0
9,0 9 7 6,0 42,2
* 10,0 10 10 8,0 36,5
40 8,0 8 10 10,0 35,5
20,8 8 6 10,0 57,1
50 10,0 10 9 8,0 42,0
t 12,0 10 9 6,0 45,2
1 60 12,0 10 10 6,0 44,0
1 Примечание. Размеры даны в мм.
23
ТАБЛИЦА 12
Просечной лист для фильтров с отверстиями типа «мост»
Ширина «моста» по верху ау Толщина стенки Si Высота просвета моста h Средняя длина щелн а2 Перемычка щелн по вертикали k\ Скважность, %
17 2,5 1,0 18,50 17,50 9,78
1,5 19,25 16,75 15,26
2,0 20,00 19,00 19,55
2,5 20,75 18,25 25,42
3,0 1,0 18,50 20,50 9,04
1,5 19,25 19,75 14,11
2,0 20,00 22,00 18,14
2,5 20,75 21,25 23,58
3,0 21,50 23,50 27,33
3,5 1,0 18,50 20,50 9,04
1,5 19,25 19,75 14,11
2,0 20,00 22,00 18,14
2,5 20,75 21,25 23,58
3,0 21,50 23,5 27,33
4,0 1,0 18.50 23,5 8,39
1,5 19,25 22,75 13,08
2,0 20,00 25,00 16,94
2,5 20,75 24,25 22,03
3,0 21,50 26,50 25,59
2) 4,0 1,0 21,50 23,50 6,58
1,5 22,25 25,75 9,59
2,0 23,00 25,00 13,21
2,5 23,75 27,25 16,05
3,0 24,5 26,5 19,86
3,5 25,25 28,75 22,50
4,0 26 28 26,56
5,0 1,0 21,5 26,5 6,17
1,5 22,25 28,75 9,02
0,2 23 28 12,43
2,5 23,75 30,25 15,17
3,0 24,5 29,5 18,77
3,5 25,25 31,75 21,33
4,0 26 31 25,18
Примечания: 1. Размеры даны в мм. 2. Указаны фильтры, изготовляемые , из листа толщиной 2,5—5,0 мм, можно применять лист толщиной 6—8 мм. 3. Ширина щели w=5— 7 мм; перемычка между щелями по горизонтали b=5,54-7,5 мм.
тельный срок эксплуатации. ФКО можно использовать в разведочных скважинах для определения параметров пласта. Скважины с ФКО эффективно работают в Подмосковном бассейне.
Изготовление фильтров из просечного листа толщиной 4—5 мм было начато в трестах «Востокбурвод» и «Промбурвод» Минмон-тажспецстроя СССР и предполагало. замену перфорированных труб штампованными каркасами.
Для скважин, бурящихся на воду, в большинстве стран мира фильтры на основе обсадных цельнотянутых труб не выпускают-
24
РИС. 9. Конструктивные размеры и схема разбивки проходных отверстий открытого типа
РИС. 10. Конструктивные размеры и схема разбивки проходных отверстий типа «мост»: а—-общий вид фильтра; б—муфтовое соединение на заклепках; в — муфтовое соединение на сварке; г — детали штамповки
ся. В целях экономии металла и упрощения технологии фильтры изготовляют из листовой стали. Технологический процесс изготовления стальных щелевых фильтров схематически сводится к следующим операциям: штамповке проходных отверстий на листе, вальцовке и сварке листа в каркасы, приварке соединительных патрубков, подготовке поверхностей фильтров для нанесения защитных покрытий, нанесению покрытий. Отверстия штампуют при помощи прессов с усилием 2,5—4 МН.
25
По такой технологической схеме изготовляют фильтры в ряде стран: народное предприятие «Гидрогеология» в Нордхаузене (ГДР), предприятие «Геомашина» в Белграде (Югославия), фирма «Нольд» в Штокштадте на Рейне, фирма «Эрнст» в Ганновере (ФРГ) и др.
Штампованные фильтры выпускают с различной формой проходных отверстий: щель открытого типа, типа «мост», с нависающими козырьками для отклонения гравия.
РИС. 11. Схема быстросъемного соединения с крупной круглой резьбой
РИС. 12. Схема заготовок для фильтров нз просечного листа
В табл. 11 и 12 приведены характеристики просечного листа для изготовления фильтров со щелями открытого типа (рис. 9) и типа «мост» (рис. 10). В табл. 13 дана техническая характеристика фильтров со щелями типа «мост» и резьбовыми соединениями.
При соединении секции фильтров «Нольда» [14] используются специальные конструкции.
В отечественной промышленности фильтры соединяют с помощью стандартной трубной резьбы. Практика показала, что при транспортировке эти резьбы часто забиваются, соединение вертикальных колонн занимает много времени. Между тем круглая резьба с шагом 2,5 нитки на 26 мм, характеристика которой дана на рис. 11, лишена указанных выше недостатков. Такие муфтовые
26
•соединения можно изготовлять из заготовок, получаемых вальцеванием полосы с последующей сваркой стыка и обработкой на токарных станках вихревым способом.
Фильтры из штампованных листовых материалов выпускаются в ГДР народным предприятием «Гидрогеология». Основные размеры заготовок для этих фильтров приведены на рис. 12 и в табл. 14. Поступившие заготовки на предприятие «Гидрогеология» вальцуют, сваривают, после чего изготовляют соединительные элементы (муфты и ниппели). При длине фильтров 2—4 м
ТАБЛИЦА 13
Характеристика фильтров с отверстиями типа «мост» с резьбовым и фланцевым соединениями и рильсановым защитным покрытием
Номинальный диаметр фильтров, мм
Параметры
200 250 300
350 400 500 600
800 1000
Диаметр в свету, мм: без покрытия с покрытием
Толщина стенки, мм: без покрытия с покрытием
Длина звена фильтра, м
Масса, кг:
фильтра без соединений
одного резьбового соединения
одного фланцевого соединения
150
148
3
5
4
12,50
9,0
194 250
192 248
300 350
298 348
392
390
4
6
3
500 600
498 598
788 1000
786 998
12,5019,90 24,0 37,0
12,0 15,0 22,0 26,0
41,3 52,8
29,0 —
— 12,7
79,2 125,0166,4
15,4 24,5 28,3
применяются одна муфта и один ниппель. В отличие от других производств в «Гидрогеологии» муфты и ниппели изготовляют методом холодной штамповки с использованием специальных обжимных головок, в которых с помощью масляного гидропривода развивается давление до 25 МПа. Для фильтров диаметрами 219, 273, 368 и 470 мм на концах проштампованных труб оставляют глухие участки трубы длиной 176—182 мм, где штампуют муфты и ниппели. При этом получается круглая резьба с шагом Р= = 32 мм — четыре витка на одно соединение.
Как показывает опыт, соединение надежное, обеспечивает соосность, а величина зазора между муфтой и ниппелем допускает выполнение антикоррозионной защиты. На изготовление одного элемента соединения затрачивается 1,5—2 мин. Такой вид соединения не требует дополнительной механической обработки. Для фильтров диаметром 168 мм соединительные элементы готовят отдельно с последующей приваркой к проштампованной части фильтров. В качестве антикоррозионных покрытий применяют бесфенольные битумные лаки, наносимые с помощью пульвери-
27
ТАБЛИЦА 14
Основные размеры заготовок для
Основные размеры, мм Номинальный дна
168 219
Ширина листа k±2 Длина листа N± 10 Толщина листа s 517 990 1490 3 677 990 1490 1990 3
Высота щели моста Л ±0,2 Ширина щели sw 2,1 3,1 2,1 3,1 5,4 2,1 3,1 2,1 3,1 2,1 3,1 5,4
Длина щели sl Число отверстий в ряду; без муфты одна муфта две муфты Шаг хода пресса: без муфты одна муфта две муфты Кромка по образующей листа ai/a2 Кромка по торцам bi/b2: 27,2 28,6 27,2 28,6 40 62 34 56 28 50 20 31 17 28 14 25 16/16 27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6 40 62 84 34 56 78 28 50 72 20 31 42 17 28 39 14 25 36 14/14
без муфты 42 41 44 43 42 41 44 47 47 46
одна муфта 179 177 184 182 179 177 184 182 189 187
две муфты Примечание. Расстояни 177 176 178 177 е между щелями по оси 1=23, 177 176 178 177 182 181 4 ММ.
затора. Эти лаки недостаточно надежны и будут заменены полиэтиленовыми покрытиями.
Выпуск фильтров из штампованного листа в 1982 г. начат Дро-гобычским заводом Мингазпрома СССР.
§ 5. Каркасно-проволочные фильтры
Производство фильтров в США сосредоточено в двух основных фирмах «Эдвард Е. Джонсон и К°» («Джонсон») и «Кук вел Стрейнер и К°»‘(«Кук»). При выборе материалов для изготовления фильтров в США были проведены широкие исследования по коррозионной устойчивости различных материалов, результаты которых сведены в табл. 15. В настоящее время основная продукция фирмы «Джонсон» изготовляется из проволоки нержавеющей стали. Эти фильтры оказались весьма устойчивыми при восстановлении дебита скважин с помощью кислотных обработок. Фильтры из других материалов фирма выпускает по специальным заказам.
Фильтры этой фирмы представляют собой сварные конструкции, состоящие из несущих стержней с обмоткой профилированной проволокой (рис. 13). В качестве стержней применяется круглая или фасонная проволока каплевидной формы, а в качестве обмоточной— проволока трапецеидальной формы с вершинами, обра-
28
фильтров с отверстиями типа «мост»
метр фильтра, мм
273 325 368 470
846 1007 1142 1462
1490 1990 1490 1990 1490 1990 1490 1990
3 и 4 4 4 4
2,1 3,1 2,1 3,1 2,1 3,1 2,1 3,1 2,1 3,1 2,1 3,1 2,1 3.1 2,1 3,1'
5,4 5,6 5,6 5,6
27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6 27,2 28,6-
62 84 62 84 62 84 62 84
56 78 56 78 56 78 56 78
50 72 50 72 50 72 50 72
31 42 31 42 31 42 31 42
28 39 28 39 28 39 28 39
25 36 25 36 25 36 25 36
16/17 15/16 12/13 14/14
44 43 ' 47 46 44 43 47 46 44 43 47 46 44 43 47 46-
184 182 189 187 184 182 189 187 184 182 189 187 184 182 189 187
178 177 182 181 178 177 182 181 178 177 182 181 178 177 182 18[
щенными внутрь фильтра. Образуемые при этом отверстия расширяются внутрь, что благоприятно сказывается на работе фильтров, особенно в тех случаях, когда фильтры устанавливают в водоносных породах без гравийной обсыпки.
В фильтрах конструкции фирмы «Джонсон» диаметр опорной проволоки незначительно больше диаметра обмоточной спирали. Например, для легких фильтров, предназначенных для установки впотай, при РНар=95 мм число опорных проволок равно 18 при диаметре 3 мм и толщине обмоточной проволоки 1,5 мм. Для фильтров того же диаметра, устанавливаемых на трубах, число опорных проволок равно 28 при диаметре 4 мм и толщине обмоточной проволоки 4 мм. Как правило, в конструкциях расстояния между центрами опорных проволок находятся в пределах 10—15 мм.
Во время намотки спираль при помощи ролика вдавливается в опорные стержни, и в этих местах производится контактная точечная электросварка. При такой технологии фильтры обладают большой прочностью, жесткостью и антикоррозионной устойчивостью. Конструкции фильтров выполняются в трех модификациях: для установки в обсадных колоннах телескопически, впотай без гравийной обсыпки; для установки на трубах с контуром гравийной обсыпки; для установки в глубоких скважинах. Техническая характеристика телескопических фильтров приведена в табл. 16. Под
29
телескопической посадкой фильтров следует понимать такое оборудование скважин, при котором разница в диаметрах между обсадной колонной и фильтром минимальна.
Ширина проходных отверстий в этих фильтрах зависит от гранулометрического состава пород водоносного горизонта и рассчитывается на пропуск 50—70% мелких фракций с учетом, что оставшаяся часть обеспечивает создание надежно работающего есте-
ТАБЛИЦА 15
Характеристика антикоррозионных металлов, применяемых в США для изготовления фильтров
Материал Состав металла Кислотная устойчивость Сопротивление разрыву, МПа
Название Содержание, % временное критическое
Монельметалл Никель 70 Очень 330 590
Г Медь 30 хорошая 480
Суперникель Никель 30 То же 470
Медь 70 595
«Эвердур» Медь 96 » 490
Кремний 3
Марганец 1 » 310 595
Нержавеющая сталь Низкоуглеродистая 74 Плохая
сталь
Хром 18
Никель 8 540
Кремнистая красная ла- Медь 83 Хорошая 450
тунь Кремний 1
Цинк 16 420 490
Красная латунь Медь 85 »
«Анаконда» Цинк 15 » 350 380
Железо «Армко» Чистое же- 99,84 Плохая
лезо
Железо «Тонкан» Железо 99,55 350 380
Медь 0,40 »
Молибден 0,05 » 350
Сталь Низкоуглеродистая 100 » 310
ственного фильтра. При установке телескопических фильтров в однородных песках или при условии незначительной мощности водоносного горизонта, а также в тех случаях, когда над водоносным горизонтом залегают мелкозернистые пески плывунного типа, выносимые фракции песков при прокачке необходимо сократить до 30%- Когда требуется устанавливать фильтры с контуром гравийной обсыпки либо сооружать скважины с двумя или несколькими колоннами обсадных труб, спускать фильтры следует на надфильтровой рабочей колонне. Очевидно, что в этих условиях фильтр испытывает большие статические нагрузки, в связи с чем повышаются требования к прочности фильтров. Для таких усло-
30
ТАБЛИЦА 16
Фильтры фирмы «Джонсон» для телескопической установки в скважинах
Номинальный диаметр труб для установки фильтров, мм Диаметр фильтра, мм Номер отверстия/ширина (в мм) 1 м, кг (при-!ННО)
«г к енний 10 20 40 60 80 100 150
0,25 0,50 1.0 1,5 2,0 2,5 3,7
о. та CJ W
2 та tti к Площадь сечения проходных отверстий на длины фильтра, см2 1 м Мас бли>
76 70 50 316 548 886 1096 1245 1160 1370 7,5
89 82 63 380 653 1033 1286 1476 1350 1603 12,0
101 95 76 422 738 1181 1497 1687 1560 1850 13,5
114 108 89 485 843 1350 1687 1919 1771 2109 15,0
127 120 102 548 949 1497 1877 2130 1982 2362 16,5
143 133 144 590 1054 1666 2087 2383 2193 2615 17,0
152 143 124 632 1117 1370 1792 2110 2362 2783 18,0
203 190 168 590 1075 1834 2383 2783 3121 3374 24,0
254 241 219 759 1370 2319 3015 3543 3986 4281 33,0
305 283 263 886 1623 2741 3036 3648 4151 5061 42,0
356ОД 317 288 801 1497 2573 3374 4070 4597 5631 52,0
406ОД 360 322 907 1687 2931 3838 4640 5272 6411 64,0
406ОД 370 339 927 1750 3015 3943 4766 5399 6580 67,0
457ОД 412 380 1033 1940 3374 4407 5314 6031 7340 75,0
457Р 419 387 1055 1961 3395 4449 5356 6073 7423 77,0
508ОД 463 431 801 1455 2678 3711 4555 5230 6664 85,0
6ЮОД 575 525 970 1813 3332 4597 5694 6495 8288 100,0
660ОД 605 558 1033 1898 3500 4829 5968 6833 8731 110,0
762ОД 705 660 1202 2214 4090 5652 6980 7972 10186 122,0
914ОД 810 760 1370 2530 4681 6453 7972 9111 11641 140,0
ТАБЛИЦА 17
Фильтры фирмы «Джонсон» для установки в скважинах на трубах
Номинальный диаметр труб для установки фильтров, мм Диаметр фильтра, мм Номер отверстия/ширина (в мм) Масса 1 м, кг (приближенно)
наружный внутренний 10 20 80 100 150
40 60
0.25 0,50 1,0 1,5 2,0 2,5 3,7
Площадь сечения проходных отверстий на 1 м длины фильтра, см2
38Р 60 38 274 464 759 949 1076 991 1181 5
51Р 66 50 295 527 865 1055 1202 1097 1308 7,5
63Р 79 63 358 633 1012 1244 1413 1308 1561 10,5
76Р 92 76 422 717 1139 1434 1624 1518 1793 13,5
102Р 117 101 527 928 1434 1814 2067 1940 2299 16,5
127Р 142 126 633 1118 1371 1793 2109 2362 2784 18
152Р 168 152 527 970 1624 2109 2468 2784 2995 21
203Р 218 202 675 1244 2109 2742 3206 3606 3881 29
254Р 296 253 865 1561 2636 2910 3501 3965 4851 37
305Р 324 304 801 1518 2636 3438 4155 4703 5736 54
356Р 362 330 907 1687 2932 3838 4640 5273 6311 64
406Р 412 381 1033 1940 3374 4408 5315 6032 7339 75
31
РИС. 13. Проволочный сварной фильтр фирмы «Джонсон»:
а — общий вид; б — конструктивные детали;
1 — свинцовый сальник; 2 — рабочая часть;
3 — отстойник; 4 — проволока основы; 5 — проволока водоприемной поверхности
вий фирма выпускает фильтры, характеристика которых приведена в табл. 17.
Для оборудования скважин большой глубины фирма «Джонсон» выпускает проволочные фильтры с опорными каркасами из штампованных щелевых труб (рис. 14 и табл. 18). Проволочная спираль 2 наматывается на опорные стержни, которые улучшают
ТАБЛИЦА 18
Фильтры фирмы «Джонсон» для глубоких скважин из перфорированных труб
Номинальный диаметр, мм Диаметр трубчатого каркаса, мм Диаметр конструктивных элементов фильтра, мм Масса 1 м, кг (приближенно)
наружный внутренний наружная поверхность направляющие кольца
76 88 78 108 114 26
289 101 90 121 127 31
102 114 102 133 140 36
127 141 127 159 165 45
152 168 154 191 197 55
203 219 203 239 254 78
254 273 257 292 305 103
305 324 305 343 356 140
356 356 336 371 381 152
406 407 387 419 432 175
32
РИС. 14. Фильтр фирмы «Джонсон» для глубоких скважин
дренирующую способность фильтра. После намотки спирали концы закрывают направляющими кольцами 1. Трубчатые каркасы 3 изготовляют из антикоррозионных материалов. Фильтры выпускают секциями длиной 1,2—4,5 м. Фильтры диаметром до 300 мм соединяются при помощи муфт, а при большем диаметре — сваркой.
Каркасно-проволочные фильтры, выпускаемые фирмой «Кук», по конструкции сходны с фильтрами «Джонсон», но отличаются формой проволоки и технологией изготовления. Материалы для изготовления фильтров указаны в табл. 15. В фильтрах фирмы «Кук» проволочная спираль наматывается на опорные стержни, имеющие пазы, в которые входит основание спирали сложного профиля. Размеры проходных отверстий в фильтрах находятся в пределах 0,15—4,6 мм. Для основы и обмотки фильтров применяется проволока следующих диаметров (в мм):
Для каркаса........... 3,8 6,35 9,53
Для обмотки........... 2,28 3,72 4,76
В зависимости от глубины скважин и способов установки фирма «Кук» выпускает фильтры двух типов: легкие для телескопической посадки в скважины (табл. 19) и тяжелые для установки на надфильтровых трубах в скважинах глубиной 500— 1000 м (табл. 20).
ТАБЛИЦА 19
Фильтры фирмы «Кук» легкого типа для телескопической установки в скважинах
Диаметр, мм Масса 1 м, । кг (приближенно) Диаметр, мм Масса 1 м, кг (приближенно)
наружный внутренний наружный внутренний
69 51 6 - 293 270 42
97 76 10 356 324 49
134 НО 15 378 343 52
144 121 18 425 390 63
191 168 24 476 441 74
242 219 33 578 543 89
3-643
33
ТАБЛИЦА 20
Фильтры фирмы «Кук» тяжелого типа для установки в скважинах на трубах
Диаметр фильтра, мм Масса 1 м, кг (приближенно) Диаметр фильтра, мм Масса 1 м, кг (приближенно)
наружный внутренний наружный внутренний
187 152 22 698 660 99
244 203 37 804 762 117
298 254 60 945 914 134
355 305 67 1006 965 143
496 357 68 1048 1016 149
571 508 79
§ 6. Каркасно-стержневые фильтры
Конструкции каркасно-стержневых фильтров были предложены В. М. Гаврилко и впервые внедрены в практику при бурении скважин на водозаборах г. Дзержинска в 1949 г. В отличие от фильтров с каркасами из бурильных
РИС. 15. Каркасно-стержневые фильтры:
а — из стальных стержней; б — с проволочной обмоткой из нержавеющей стали; в — с просечным листом из нержавеющей стали
труб с круглыми или щелевыми отверстиями в данной конструкции трубу заменяет каркас из стальных стержней (рис. 15). Замена дырчатой трубы стержневым каркасом позволяет значительно увеличить скважность фильтра, избавиться от трудоемкой работы по сверлению отверстий, снизить расход цельнотянутых труб. Основное преимущество каркасно-стержневого фильтра — отсутствие тупиковых
пространств между фильтрующей и опорной поверхностями, благодаря чему не накапливаются осадки, а фильтрующая поверхность становится доступной для периодической очистки.
Сравнивая характеристики
каркасно-стержневого и прово-лочного фильтра на трубчатом
каркасе, видим, что скважность каркасно-стержневого фильтра превышает скважность проволочного на трубчатом каркасе на 49%, а площадь одного проходного отверстия на стержневом каркасе в 100 раз больше площади одного отверстия на дырчатой трубе. Это весьма сущест
34
венно, так как кольматаж фильтров, а следовательно, и продолжительность их работы зависят в основном от скважности и размера проходных отверстий.
Сравнительная характеристика фильтров
Тип фильтра Проволоч- Каркасно-
ный на труб- стержневой
Диаметр труб для изготовления фильтров, мм чатом каркасе 168/152 нз прутковой стали 168/152
Наружный диаметр фильтра с учетом толщины опорных ребер и проволочной обмотки диаметром 2 мм, мм 182 196
Скважность опорного каркаса, % ... . 20 69
Число отверстий на каркасе длиной 3 м 2300 108
Площадь сечения, мм2: отверстия при диаметре сверла 10 мм 78 —
щели, образованной между двумя стержнями н опорными кольцами .... — 8540
Масса секции фильтра, кг: каркаса трубы с перфорированными отверстиями при скважности 20% .... 78,93 —
стержневого каркаса при толщине стержней 12 мм с 8 опорными кольцами и 12 стержнями — 59,9
Примечание. Для каркасно-стержневых фильтров в расчете принята длина соединительных патрубков 250 мм, ширина опорных колец 25 мм.
Если учесть, что при двойных поверхностях фильтрации проволочных фильтров на трубчатых каркасах осадки будут накапливаться более интенсивно, а удаление их механическими и химическими способами затруднено, то несовершенство проволочного фильтра на трубчатом каркасе еще более очевидно.
ТАБЛИЦА 21
Скважность фильтра при намотке проволочной спирали в зависимости от толщины проволоки и ширины просвета
Ширина просвета, мм Скважность (в %) при диаметре проволоки, мм Ширина просвета, мм Скважность (в %) при диаметре проволоки, мм
1,5 2 г 4 1.5 2 3 4
0,50 25 20 14 11 3,50 70 63 54 46
0,75 33 27 20 15 4,00 73 66 57 50
1,00 40 33 25 20 4,50 75 69 60 53,5
1,50 50 43 33 27 5,00 77 71 62 55,5
2,00 57 50 40 33 5,50 78,5 73 64 57
2,50 62 55 45 36 6,00 80 75 66 60
3,00 66 60 50 43
Примечание. Ввиду незначительного сокращения процента скважности за счет поверхности касания спирали с опорными ребрами эта величина в таблице не учтена.
Водоприемные поверхности каркасно-стержневых фильтров изготовляют из различных материалов, выбор которых зависит от срока эксплуатации скважин и химических свойств воды. В скаль
3*'
35
ных неустойчивых породах можно устанавливать фильтры из одних металлических стержней. При эксплуатации неагрессивных вод в скважинах временного действия (со сроком работы от нескольких недель до нескольких месяцев), сооружаемых главным образом для строительного водопонижения, на каркас можно на-
РИС. 16. Соединение стержней с опорными кольцами и патрубками:
а — внахлестку; б — впотай; 1 — фрезерованный стержень; 2 — соединение стержней с кольцом
матывать простую стальную проволоку-катанку диаметром 3—5 мм.
В скважинах временного действия при агрессивных водах стальная проволока должна иметь защитное покрытие в виде цинковых или меднистых пленок. Можно применять стальную проволоку, имеющую хлорвиниловое или полиэтиленовое покрытие. В агрессивных водах необходимо использовать проволоку из нержавеющей стали.
В водозаборных и водопонизительных скважинах, рассчитанных на длительный срок эксплуатации (в течение нескольких десятков лет), для устройства фильтрующих поверхностей необходима проволока из коррозионно-устойчивых металлов, в частности из нержавеющих сталей. Учитывая длительность работы сооружений и их большую стоимость, это требование следует обязательно соблюдать при установке фильтров в скважинах, эксплуатирующих подземные воды незави
симо от их химического состава, так как известно, что все воды в той или иной степени коррозионны и их действие может проявиться в процессе длительной эксплуатации.
Шаг спиральной намотки зависит от пород, в которых устанавливают фильтр, или от диаметра зерен гравийной обсыпки. Расстояние между витками спирали должно соответствовать среднему диаметру зерен принятой гравийной обсыпки. Практически
36
Й '
РИС. 17. Соединение стержней с опорными кольцами впотай: а — фрезерованное кольцо; б — соединение кольца со стержнями
просвете является
скважину
трудно достичь точной намотки проволочной спирали с равномерным расстоянием между витками. Однако, как показала практика, эта точность и не требуется: при гравийных обсыпках изменение размера просвета между проволоками спирали на 0,5 мм в ту или другую сторону не имеет существенного значения (табл. 21).
Из табл. 21 следует, что при толщине проволоки 1,5—3 мм увеличение ширины просвета между витками свыше 4—4,5 мм не приводит к существенному увеличению процента скважности; полученная при указанном скважность 60—70% предельной.
При установке в фильтров со спиральной проволочной обмоткой необходимо иметь в виду, что при засыпке гравия (с поверхности земли) в межфильтровом пространстве отдельные проволоки обмотки расклиниваются. Поэтому перед спуском фильтра требуется тщательно проверять положение проволочной спирали. Кроме проволочных спиралей, водоприемные поверхности на каркасных фильтрах могут быть выполнены из штампованного листа нержавеющей стали, а также из сеток нержавеющей стали и латуни.
Изготовление фильтров. Соединительные патрубки изготовляют из стандартных бурильных труб. Для каждого звена фильтра используют два патрубка длиной по 250—350 мм с резьбой на концах. Для соединения звеньев фильтра в колонну необходимой длины применяют полумуфты. Там, где может быть обеспечена ные патрубки сваривают. В этом случае патрубки представляют собой отрезки труб с фасками для сварки.
Стержни каркаса соединяют с патрубком внахлестку (рис. 16, а) электросваркой, при этом наружный диаметр фильтра увеличивается на двойную толщину стержней. Для его уменьшения может быть применен другой вид соединения — впотай. В этом случае стержни закрепляют не на поверхности патрубков, а в специальных прорезях, выполненных фрезерованием (рис. 16, б и 17). При соединении наружный диаметр фильтра уменьшается на двойную толщину стенки соединительного патрубка.
газо- или электросварка, отдель-
37
Металлические стержни изготовляют из обычной прутковой стали марки Ст. 3 или Ст. 5. Для сильноагрессивных вод целесообразно употреблять нержавеющую сталь. Длину стержней следует принимать от 2 до 3,5 м как наиболее удобную для обработки, монтажа и перевозки (в виде готовых фильтров). Толщина стержней зависит от диаметра фильтра. Для образования каркаса стержни располагают по образующей патрубков на расстоянии 30—40 мм друг от друга. Данные о числе стержней и их диаметрах в зависимости от диаметра патрубков приведены в табл. 22.
Указанные диаметры рекомендуются для фильтров, предназначенных для установки в скважинах, которые эксплуатируют на-
ТАБЛИЦА 22
Основные данные каркасных фильтров диаметром до 150 мм
Диаметр патрубка, мм Диаметр стержня, мм Число стержней по образующей Диаметр патрубка, мм Диаметр стержня, мм Число стержней по образующей
наружный внутренний наружный внутренний
Фильтры диаметром до 150 мм Фильтры диаметром 200 мм и более
89 77 10 8 219 210 14 12
102 91 10 8 273 255 14 12
127 114 12 10 325 305 16 20
146 132 12 12 377 355 16 24
168 150 14 12 426 402 16 32
порные или безнапорные водоносные горизонты большой мощности. Наличие столба воды над фильтром позволяет в этих случаях устанавливать насосное оборудование без спуска его в фильтр. При установке фильтров в водоносных горизонтах небольшой мощности или в условиях, когда необходимо откачивать воду с максимальным понижением уровня, насосы следует заглублять в рабочую часть фильтров. В этих случаях требуются фильтры больших диаметров, соответствующих габаритам насоса. При применении надежной антикоррозионной защиты диаметр стержней может быть уменьшен.
Для придания стержням необходимой жесткости при монтаже каркаса устанавливают опорные пояса из колец или сварные на «сухарях» с закладкой кусков металла между стержнями. Число поясов и расстояние между ними зависят от диаметра фильтра, толщины стержней и глубины скважин. При изготовлении каркаса из стержней диаметром 10—12 мм пояса устанавливают через 200 мм; при 14-мм стержнях — через 250 мм; при 16-мм стержнях— через 300 мм.
Сборка фильтров. Каркасы фильтров собирают с учетом целевого назначения. Когда фильтр монтируют в водоносных горизонтах большой мощности либо в скважинах с высокими напорами,
38
где установка насосов и сработка уровней воды будут производиться выше фильтров, последние целесообразно собирать на опорных кольцах. Если необходимо устанавливать насосы в фильтры или их отстойники, в опорные пояса рекомендуется закладывать куски металла или использовать кольца, соединенные
ТАБЛИЦА 23
Основные размеры каркасно-стержневых фильтров (ТУ 51-644—74)
Типоразмер секции фильтров Диаметр, мм Масса секции, кг Скважность, %
наружный внутренний
Фильтры каркасно-стержневые
С-5Ф5В 174 132 69 51,2
С-8Ф5В 196 152 77 53,8
С-8Ф5В 247 203 88 58,9
С-10Ф5В 301 255 105 62,2
С-12Ф5В 352 307 161 60,2
С-14В5В 405 359 178 60,8
С-16Ф5В 454 408 202 61,2
Фильтры стержневые с проволочной обмоткой из нержавеющей стали
СП-5Ф7В 178 132 80 28,8
78 38,5
СП-6Ф7В 200 152 89 31,3
86 42,0
СП-8Ф7В 251 203 103 33,5
100 43,7
СП-10Ф7В 307 255 136 27,5
131 37,5
СП-12Ф7В 359 307 158 38,7
СП-16Ф7В 460 408 200 39,2
Фильтры стержневые с просечным листом из нержавеющей стали
СЛ-5Ф11В 176 132 81 15—25
СЛ-6Ф11В 198 152 90 15—25
СЛ-8Ф11В 249 203 104 15—25
СЛ-10Ф11В 303 255 122 15—25
СЛ-12Ф11В 355 307 189 15—25
СЛ-14Ф11В 407 359 210 15—25
СЛ-16Ф11В 456 408 237 15—25
Примечания. 1. В фильтрах диаметрами 168—200 мм диаметр проволоки 2 мм, а для фильтров диаметром 254 мм и более — 3 мм. 2. Проволока на фильтры наматывается с зазором (просветом) 1,5 и 2,5 мм.
со стержнем впотай, когда внутренняя и наружная поверхности фильтра не имеют выступающих частей.
Расчетами «Проектстальспецконструкции» определено, что прочность каркасно-стержневых фильтров позволяет устанавливать их до глубин 300—400 м.
Технические характеристики выпускаемых каркасных фильтров приведены в табл. 23.
39
§ 7. Спирально-проволочные фильтры для водозаборных скважин
В фильтрах фирм «Джонсон» и «Кук» (США) каркас и водоприемная поверхность изготовляются в едином технологическом процессе. Вследствие этого размер проходных отверстий, скважность и прочностные характеристики взаимосвязаны.
Большая универсальность конструкции может быть достигнута при таком сочетании несущей части и водоприемной поверхности, при котором обеспечиваются выполнение каркаса с заданной прочностью и независимое от этого создание проволочной водоприемной поверхности с заданной скважностью. Такой подход
РИС. 18. Спирально-проволочный фильтр
реализован в конструкции спирально-проволочного фильтра (рис. 18), где в качестве опорного каркаса используется спираль из круглого проката диаметром 6—11 мм с шагом навивки, определяемым прочностными требованиями и находящимся в пределах 28—60 мм, с 9—13 стержнями диаметром 9—10 мм. По стержням навивается проволока с заданным зазором.
При конструктивной разработке этих фильтров была поставлена задача снижения их материалоемкости при сохранении прочностных свойств. Для этого в качестве базового варианта произведена аналитически и экспериментально оптимизация конструкции стержневого каркаса на спиральной основе [2]. Стержневой каркас рассчитывали при предположении, что он нагружен равномерно по водоприемной поверхности и напряжения сгу в п стержнях диаметром </Ст и т витках диаметром dK, высотой h одинаковы (рис. 18). Определение максимального значения суммарных материальных и трудовых затрат в производстве показало, что в общем случае оптимальное соотношение параметров фильтров соответствует приведенному в табл. 24.
Экспериментальная оценка тензометрированием остаточного натяжения проволоки при намотке на стержневой каркас и деформации деталей каркаса показала, что за счет податливости деталей допустимая нагрузка на каркас при намотке проволоки уменьшается на 15,5% по сравнению с расчетной. При работе проволочных фильтров в рыхлых неустойчивых породах в кольцах про
40
волочной намотки возникают напряжения сжатия, уравновешивающие действующие в них напряжения растяжения от технологи-? ческого натяжения проволоки, и компенсируют часть нагрузки на фильтр.
Разработка базового варианта позволила выявить параметрический ряд фильтров со стержневыми каркасами, располагающимися на опорной спирали, с заданной прочностью. Рассматриваемая спиральная основа со стержнями может быть принята в каче-
ТАБЛИЦА 24
Параметры оптимальных конструкций стержневых каркасов
Допускаемое напряжение радиального сжатия 6 у, мПа Число стержней Аст Диам< стержня ^ст зтр, мм кольца d к Расстояние между* кольцами 1, мм Скважность, % Масса каркаса, кг
£>т=168 мм
100 9 9 6 60 76,8 16,28
200 11 9 9 47 66,9 22,38
300 11 9 8 39 65,3 27,05
400 13 9 9 36 59,2 34,35
500 13 9 9 32 56,7 36,57
Z >т=219 м И
100 9 9 6 54 78,8 18,56
200 11 9 7 36 70,7 27,22
300 11 9 8 32 68,4 34,94
400 11 9 9 28 58,4 44,12
500 13 9 10 28 53,8 52,3
Эт=273 м И
100 13 9 7 57 76,1 26,38
200 13 9 8 39 69,0 35,17
300 13 10 9 34 63,1 45,3
400 13 10 10 32 58,6 61,2
500 13 10 11 30 54,1 72,83
стве универсальной, обеспечивающей достаточную прочность (до 500 МПа — давление равномерного радиального сжатия) и скважность до 78,8%. Этот каркас наилучшим образом совмещается с проволочной. обмоткой в качестве водоприемной поверхности, но может быть основой и других фильтрующих поверхностей. Аналитические расчеты и стендовые испытания показали, что спирально-проволочные фильтры по прочности способны заменить каркасы фильтров из перфорированных труб, причем их масса на 33,6—43,4% меньше.
Для изготовления спирально-проволочных фильтров разработано специальное оборудование, обеспечивающее непрерывный выпуск секций фильтров требуемой длины. Это оборудование освоено на Дрогобычском заводе и в тресте Промбурвод. В отличие от
41
существующей технологии изготовления стержневых каркасов, основанной на ручной сборке и сварке колец со стержнями, в упомянутом оборудовании используется серийная машина точечной сварки (модель 2517), что обеспечивает изготовление фильтров с необходимой соосностью. Секции этих фильтров соединяются с помощью ниппеля и полумуфты либо патрубка, сопрягаемого со спиральной основой каркаса (рис. 18). Спирально-проволочные фильтры обладают всеми гидравлическими преимуществами проволочных (каркасно-стержневые фильтры В. М. Гаврилко, фильтры фирм «Джонсон» и «Кук»),
Полевые испытания фильтров проводили на водопонизительных скважинах участка Киевского метрополитена в скважинах глубиной до '50 м при их установке в песках с гравийной обсыпкой. Кроме того, единичное опробование осуществлено при оборудовании водозаборной скважины глубиной около 200 м на территории стадиона имени В. И. Ленина в Москве. Фильтр установлен в зоне переслаивания известняков и слабосцементированных песчаников. Проведенные опытные работы подтвердили работоспособность конструкции, достаточную прочность и возможность установки до глубины 200 м.
В ходе опытных работ и эксплуатационной откачки из скважин, оборудованных спирально-проволочными фильтрами, зафиксирована более высокая производительность и устойчивая работа по сравнению со скважинами, оборудованными проволочными фильтрами на трубчато-дырчатом каркасе. Комплекс проведенных прочностных, технологических и гидрогеологических исследований позволил рекомендовать спирально-проволочные конструкции к серийному производству и использованию при оборудовании водозаборных и дренажных скважин.
§ 8. Многослойные проволочные фильтры
При установке проволочных фильтров в мелкозернистых песках требуется гравийная или гравийно-песчаная обсыпка. Это трудно осуществить в скважинах глубиной более 100 м без специальных подготовительных мероприятий.
В США фирмой «Амоко продакшн» предложены многослойные фильтры (МПФ). Они обеспечивают формирование естественного фильтра на каждой из проволочных водоприемных поверхностей. МПФ изготовляют путем многократной проволочной обмотки перфорированной трубы. Наружный слой проволоки при намотке имеет такие зазоры, в которых удерживаются только крупные частицы песка.
Расстояние между проволокой может быть больше диаметра зерен, соответствующего 5 %-ному содержанию в пробе по кривой зернового состава. Шаг проволоки среднего слоя принимается меньше наружного и вместе с тем больше соответствующего 25 % -ному содержанию в пробе песка. Внутренний слой (в частном слу
42
чае он может отсутствовать) имеет еще меньший зазор (меньше размера зерен, соответствующего 50%-’ному содержанию в пробе).
Предполагается, что крупные частицы песка будут задерживаться на наружном слое проволочной обмотки, имеющем максимальные зазоры. На каждом последующем слое водоприемной поверхности отсеиваются более мелкие частицы песка. Общий вид фильтра показан на рис. 19.
Основной смысл применения МПФ сводится к тому, что после установки, прокачки и формирования естественного фильтра в скважине образуется зона повышенной проницаемости. Технология установки и освоения этого фильтра отработана при каптаже нефтяных и газовых коллекторов и вскрытии их перфорацией. В этом случае песок заполняет кольцевое пространство между обсадной трубой и фильтром. МПФ можно устанавливать с применением обсыпки из гравия или крупнозернистого песка, засыпанных в кольцевое пространство между фильтром и обсадной трубой.
Суффозионная устойчивость пород в призабойных зонах скважин при установке в них МПФ изучалась в исследовательском центре США в г. Тулсе (штат Оклахома). В опытах использовали МПФ с тремя слоями из трапециевидной проволоки, намотанной на перфорированной трубе диаметром 139,7 мм. Расстояния между проволоками во внешнем, среднем и внутреннем слоях были соответственно 0,76; 0,5 и 0,25 мм. Сечение проволоки 3,175X3,175X2,54 мм.
Каждый слой намотанной проволоки отделялся от другого слоя продольными стержнями. Размер стержней равен размеру интервала между двумя внешними по отношению к нему слоями проволоки, а это составляет обычно 2,03 мм. Использование стержней также предусматривает возможность вертикального потока жидкости внутри фильтрового устройства.
Фильтр устанавливали в радиальном лотке для испытания его на пропускную способность жидкости. Лоток включает фильтр, установленный внутри цилиндрической камеры, которая снабжена отверстиями для впуска жидкости. Фильтр соединен сверху с трубой и снизу с патрубком. В одном эксперименте применяли морской песок, содержащий 50%' частиц диаметром 0,15 мм. Данные, полученные в результате этого исследования, сведены в табл. 25.
43’
Данные, приведенные в табл. 25, показывают, что было вынесено приблизительно 88 г песка. Количество песка, вынесенного в единице объема, в последующей стадии опыта резко уменьшилось, что свидетельствует об эффективности работы фильтра после пропуска относительно небольшого объема жидкости через него.
Изучение работы МПФ и их эксплуатационная проверка осуществлялись фирмой «Амоко продакшн». При этом получены положительные результаты. Однако при каптаже тонкозернистых песков однородного состава эффект формирования естественного фильтра наблюдается не всегда, и в этом случае также необходимо проведение гравийной-песчаной обсыпки. Вместе с тем предпо-
ТАБЛИЦА 25
Сводные данные опробования фильтра
Общий объем профильтрованной жидкости, л Q, л/мнн Общее время опыта, мни Перепад давления, МПа Масса вынесенного песка, г
5266,8 87,78 60 0,014 45
11536,8 104,5 20 0,014 43
14535,0 99,94 50 0,014 Незначительное количество
мелких зерен
сылки к успешному применению МПФ в гидрогеологической практике имеются. Они связаны с установкой фильтров в песках, характеризующихся значительными коэффициентами неоднородности.
В нашей стране опыт применения МПФ имеется в Краснодарской комплексной геологической экспедиции, где по предложению В. Д. Солошенко в опытно-эксплуатационных скважинах Азово-Кубанского бассейна устанавливали фильтры с двух- и трехслойной проволочной обмоткой. Особенность этих фильтров — наличие наружного слоя обмотки с минимальным зазором. Пескования в большинстве этих скважин удалось избежать. Разновидностью рассматриваемых конструкций можно считать многослойные сетчатые фильтры, в частности с сетками из лавсана, также рекомендуемыми для оборудования глубоких скважин.
§ 9. Щелевые фильтры, изготовляемые на основе синтетических материалов
Фильтры, изготовляемые из синтетических материалов, имеют следующие преимущества:
1) обладают устойчивостью против коррозии;
2) допускают устройство проходных щелей шириной 0,25 мм и более;
3) легко подвергаются механической обработке, сохраняя при этом достаточную прочность;
44
4) легки и удобны при изготовлении, транспортировке и установке;
5) не требуются сложные работы при смене фильтра, в случае затруднений фильтр может быть раздроблен желонкой или долотом и извлечен на поверхность.
В настоящее время известно использование в фильтрах поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена, полистирола, стеклопластиков и древесноволокнистых материалов на основе пропитки и связи фенолформальдегидными и эпоксидными смолами.
Фильтры с использованием поливинилхлоридных труб
В отечественной практике для изготовления фильтров применяется поливинилхлорид (винипласт) со следующими показателями:
Плотность, г/см3....................................1,38—1,45
Предел прочности, МПа, при: растяжении.........................................50—60
сжатии..........................................80—100
изгибе............................................100—120
Удлинение при растяжении, %.........................10—15
Температура сварки, °C............................. 200—240
По физико-техническим показателям винипласт обладает рядом положительных качеств: устойчив против воздействия кислот и щелочей, подлежит механической обработке, сваривается горячим воздухом, при температурах свыше 4-60° размягчается, а при —20 °C становится хрупким.
На литьевых машинах звенья фильтров могут быть получены со щелями заданной ширины и резьбовыми соединениями без всякой дополнительной механической обработки. В настоящее время в отечественной промышленности выпускаются винипластовые трубы двух марок: из винипласта марки А, стабилизированные меламином, допущены органами санитарного надзора для питьевых целей; трубы марки Б, стабилизированные свинцом, пригодны только для технических целей.
Характеристика труб, выпускаемых отечественной промышленностью, приведена в табл. 26.
ТАБЛИЦА 26
Основные данные по трубам из винипласта, выпускаемым по ТУ МХП 6-05-1573—72
Диаметр, мм Толщина стенки, мм Масса 1 м трубы, кг (приближенно) Диаметр, мм Толщина стенки, мм Масса 1 м трубы, кг (приближенно)
наружный внутренний наружный внутренний
60 50 4,5 1,7 102 90 6,5 2,73
76 60 5,0 1,56 114 100 7,0 3,30
83 70 6,0 2,20 140 125 8,0 4,64
96 80 6,5 2,53 166 150 8,0 5,60
45
Согласно техническим условиям, трубы выпускают длиной 1,5—3 м. При поставке труб допускается включение в партию до 15% коротких труб длиной 1—1,5 м при диаметре до 100 мм и 20%—при диаметре труб свыше 100 мм. Для большинства скважин длина рабочей части фильтра в среднем составляет около 6—10 м и, следовательно, при установке фильтров трубы необходимо соединять в колонну.
Разработаны и применяются следующие виды соединений труб из винипласта (рис. 20):
РИС. 20. Соединение труб и фильтров из пластических масс
а — соединение металлическими муфтами на резьбе, когда в концы труб в горячем состоянии вставляют патрубки с муфтой и резьбой, после чего стыки завальцовывают, патрубки же удерживаются в теле трубы силой трения; для предохранения соединений от сдвигающих усилий на патрубках имеются заточки — расширения; в целях защиты от коррозии поверхность муфты после свинчивания покрывают защитным лаком;
б — соединение враструб, когда конец трубы разогревают до размягчения, а второй, холодный, вставляют в него и шов обваривают сварочной проволокой;
в — соединение гладкой надвижной муфтой, когда концы труб, усиленные с помощью насадок, вставляют в металлическую муфту соответствующего диаметра; муфту укрепляют на теле фильтра болтами; во избежание коррозии муфты изготовляют из нержавеющей стали со сваркой продольного шва (можно применять простую сталь толщиной 4—5 мм с антикоррозионными покрытиями);
а — соединение металлическими и пластмассовыми резьбовыми муфтами; можно применять для труб небольших диаметров; резьба на муфте должна быть крупной.
46
Для соединения винипластовых труб надвижными муфтами, а также для увеличения толщины труб в торце необходимо упрочнять их с помощью насадок.
Практика применения фильтров из пластических масс показала, что наиболее удобным является соединение металлическими гладкими надвижными и резьбовыми муфтами. Изготовлять фильтры необходимо на заводе, а собирать их можно в полевых условиях.
Проходные отверстия на трубах из пластических масс могут иметь круглую и щелевидную форму. Круглые отверстия делают на сверлильных станках. Опыт сверления отверстий показал, что наилучшие результаты (скорость резания, чистота отверстий) получаются при большой частоте вращения сверла и плавном нажатии. При сверлении пластмасс не требуется водяной или мыльной смазки. Следует обращать внимание на форму заточки сверла, так как неправильный угол может вызвать скалывание тела трубы при выходе сверла. Максимальная скважность фильтра при круглой и щелевой перфорации достигает 30%.
Щели нарезают дисковыми фрезами и перовыми сверлами с внешней поверхности фильтра. Ширина щели может быть 0,25 мм и более, длина ее зависит от диаметра фрезы, но наилучшие результаты получены при применении фрезовых дисков диаметром 70—75 мм; в этом случае длина щели достигает 50—55 мм. Для получения щелей, расширяющихся внутрь фильтра, применяют нарезку дисками под двумя углами. Такая форма щелей предпочтительна при установке фильтра в мелкозернистых грунтах без гравийной засыпки. При обсыпке крупным гравием щели можно нарезать под прямым углом. Отечественная промышленность выпускает только трубы из пластических масс, а фильтры из пластмасс изготовляют в механических мастерских.
Внедрение фильтров из винипласта в практику отечественного водоснабжения началось по предложению В. М. Гаврилко в 1945—1946 гг., когда эти конструкции были им впервые применены в скважинах Вильнюсского водопровода. В последующие годы фильтры устанавливали в водозаборах Белорусской ССР и Литовской ССР, а также на территории Горьковской области в скважинах глубиной до 100 м. Большинство скважин с фильтрами из винипласта, по сведениям Белорусского треста Промбурвод, работало удовлетворительно. Много щелевых фильтров из винипласта было изготовлено и внедрено Гидропроектом для инженерно-геологических изысканий.
Фильтры щелевые, изготовляемые литьевым способом
Технологический процесс изготовления фильтров литьевым способом отличается простотой: пластический материал, разогретый до соответствующей температуры, вдавливается при помощи литьевой машины в пресс-форму. После охлаждения, затвердевания пластического материала и распалубки пресс-формы фильтры извле
47
кают в готовом виде без всякой дополнительной механической обработки. В последние годы на отечественных и зарубежных предприятиях фильтры изготовляют из поливинилхлорида и других синтетических смол литьевым способом без дополнительной механической обработки или с ее применением в минимальном объеме.
Фирма «Нольд» (ФРГ) выпускает фильтры из поливинилхлорида, техническая характеристика которых дана ниже:
Диаметр, мм:
условный 30 40 50 65 80 100 125
внутренний 35 41 52 67 80 100 126
наружный 41 48 60 75 89 ПО 140
Толщина стенки, мм Наружный диаметр с соединениями, 3 3,5 4 4 4,5 5 7
ММ 45 53 65 80 95 120 149
Масса 1 м, кг 0,61 0,74 1,05 1,30 1,79 2,46 4,16
Диаметр, мм: 150
условный 170 200 230 260 300 400
внутренний 150 163 196 235 253 285 366
наружный 160 180 210 250 280 315 400
Толщина стенки, мм Наружный диаметр с соединениями, 5 8,5 7 7,5 13,5 15 17
ММ . 166 180 220 260 280 315 415
Масса 1 м, кг 3,64 6,86 6,64 8,28 16,6 16,7 30
В этих фильтрах проходные отверстия горизонтальные и могут
иметь ширину 0,3—0,5; 1,0—1,5 мм. Фильтры выпускаются длиной 1; 1,5; 2; 3 и 4 м. Фильтры этих конструкций используются при оборудовании скважин контрольно-наблюдательной сети и в мелких скважинах, а также при оборудовании водозаборных скважин. Фирма «Нольд» выпускает также фильтры из полимерных материалов, получаемых литьевым способом без дополнительной механической обработки. Однако в процессе бурения и при транспортировке было отмечено повреждение фильтров, так как поливинилхлорид не обладает необходимой прочностью при ударных нагрузках.
Фильтры из синтетических материалов литьевым способом в отечественной практике впервые были изготовлены на Тульской ремонтно-механической базе треста Союзшахтоосушение, где в конце 1963 г. по предложению В. Г. Довбыша и В. П. Римша были разработаны машина и пресс-формы. На первом этапе промышленного освоения фильтры изготовляли из вторичного капрона, но, как указывают авторы предложения, не исключается возможность применения других термопластических материалов: аминопласта, полистирола, смол АК-7, П-68 и др.
Фильтры на основе полиэтиленовых труб
В отечественной промышленности трубы из полиэтилена выпускаются серийно. Полиэтилен представляет собой термопластический материал, обладающий хорошими физическими, диэлектрическими и санитарными свойствами, что позволяет использовать трубы из
48
полиэтилена в водопроводном хозяйстве. Органами санитарного надзора полиэтилен допущен для оборудования водозаборных сооружений хозяйственного назначения. Промышленность выпускает трубы двух видов: из полиэтилена низкой плотности (ПНП) и полиэтилена высокой плотности (ПВП), которые отличаются физико-химическими и механическими свойствами:
Характеристика полиэтилена
Полиэтилен.................................
Плотность, г/см3...........................
Предел прочности, МПа, при: растяжении.................................
изгибе ................................
сжатии.................................
Модуль упругости, МПа......................
Водопоглощение за 30 сут при 20 °C, %
Температурный предел применения, °C
Низкой плотности 0,92—0,93
10—16
12
12,5 150—250 0,03—0.004
-30-
Высокой плотности 0,94—0,96
22—40
20—38
24 500- 800 0,03—0,004 +70
Полиэтилен стоек к воздействию слабых растворов кислот и щелочей. Детали из него и стыки труб легко свариваются при температуре 200 °C путем сжатия. Как показали исследования, прочность сварных швов составляет 80—100% прочности целой трубы. Полиэтилен хорошо обрабатывается на металлорежущих станках, склеивается и в размягченном состоянии хорошо формуется при температуре ПО—-140 °C.
Исследованиями установлено, что под влиянием давления и температуры трубы из полиэтилена стареют, становятся более жесткими и хрупкими, что необходимо учитывать при их применении.
Трубы напорные из полиэтилена выпускаются четырех типов. Ниже приведено максимальное давление воды (в МПа) при 20 °C, которое выдерживают полиэтиленовые трубы разных типов:
Легкие Л.............................................0,25
Среднелегкие С Л.....................................0,40
Средние С............................................0,60
Тяжелые Т............................................1,00
Для изготовления фильтров и крепления ствола скважин на воду применяются полиэтиленовые трубы высокой плотности среднего и тяжелого типов. Для водоснабжения рекомендуется применять фильтры диаметром 80—100 мм и более (табл. 27).
Инициатива использования труб из полиэтилена при бурении скважин на воду в нашей стране принадлежит тресту Укрсовхоз-спецстрой, в котором с 1963 г. разработана технология проходки скважин и оборудования их полиэтиленовыми трубами, изготовлены и испытаны фильтры. Трестом используются фильтры с сетками № 16/100 и 14/90 на основе перфорированных труб из полиэтилена. На трубах диаметром 100 мм при диаметре отверстий 10 мм число отверстий составляет 800 на 1 м; при диаметре труб 125 мм и диаметре отверстий 12 мм — 700 на 1 м. Напайка сетки и намот
4—648
49
ка проволочной спирали на полиэтиленовых каркасах производятся по продольным ребрам, выполненным из проволоки диаметром 4—5 мм. Такие ребра устанавливают путем термического прокола нагретых концов проволоки в каркас.
Фильтры на основе щелевых труб из полиэтилена с сеткой из винипласта применялись Гидропроектом в водопонизительных скважинах Саратовской ГЭС. В тресте Промбурвод использовали фильтры из полиэтилена при оборудовании 16 скважин глубиной
ТАБЛИЦА 27
Трубы из полиэтилена высокой плотности
Средний наружный диаметр, мм Трубы типа С Трубы типа Т
номинальный предельное отклонение Толщина стенки, мм Теоретическая масса 1 м трубы, КГ Толщина стенки, мм Теоретическая масса 1 м трубы, кг
номинальная предельное отклонение номинальная предельное отклонение
90 1-1,6 5,1 -0,7 1,88 8,2 +1.0 2,11
ПО 1-1,8 6,2 -0,8 2,04 10,0 + 1,2 3,14
125 — 1-2>1 7,1 1-0,9 2,65 11,4 +1,3 6,07
140 — 1-2,3 7,9 -1,0 3,30 12,7 + 1,5 5,07
160 -2,6 9,1 -1,1 4,33 14,6 +1.7 6,66
180 -2,7 10,2 -1,2 5,45 16,4 + 1,8 8,41
200 1-2,8 11,4 -1,3 6,77 18,2 +2,0 10,4
225 1-2,9 12,8 -1,5 8,56 20,5 +2,2 13,1
250 -3,0 14,2 -1,6 10,5 22,8 +2,5 16,2
280 -3,1 16,9 -1,8 13,2 25,5 2,8 20,3
315 -3,3 17,9 г2,0 16,7 .— .— —
355 1-3,4 20,1 г2,2 21,1 — — —
400 1-3,6 22,7 -2,5 26,9 — .— —
450 г3,8 25,5 1-2,8 33,9 — — —
Примечания. 1. Предусматривается выпуск труб диаметрами 500, 360 и 630 мм. 2. Трубы должны изготовляться длиной 6, 8, 10 и 12 м.
от 40 до 180 м. Эти фильтры выпускают в виде каркасов с круглыми отверстиями, со щелями шириной 1 мм под обсыпку и с водоприемной поверхностью из латунных, стальных нержавеющих сеток и капрона. Как показал опыт, намотка проволочных спиралей на трубы из полиэтилена приводит к их деформации и к смещению витков спирали. Перфорированные трубы из полиэтилена устанавливали в скважинах для крепления известняков.
По сведениям, полученным в трестах «Укрсовхозспецстрой» и «Промбурвод», работа скважин с полиэтиленовыми фильтрами при дебитах, на превышающих 30—50 м3/ч, проходит удовлетворительно.
Фильтры на основе стеклопластиков
В последние годы из стеклопластиков — стекловолокна или стек-ложгута — на основе связи полиэфирными, эпоксидными, фенолформальдегидными, кремнийорганическими и другими смолами
50
получают новые конструкционные материалы, которые по прочности превосходят лучшие сорта стали. Стеклопластики в 1,5 раза легче алюминия и в 4,5 раза легче стали. Эти материалы устойчивы в агрессивных средах, противостоят ударным и вибрационным нагрузкам. Промышленное производство таких труб освоено в США, Англии, Франции, Голландии, Австралии.
В СССР трубы из стеклопластика выпускают Северодонецкин завод стеклопластиков и Уфимский завод текстильного стекловолокна. Материал труб состоит из стекловолокна (60—70%), полиэфирной смолы ПН-1 (40—30%) с добавкой отвердителя, гидроперекиси изопропилбензола и ускорителя.— нафтената кобальта. При этом трубы имеют следующие показатели:
Плотность, г/см3...................................1,7—2,2
Допустимое осевое растяжение на разрыв, МПа . . 150
Радиальное сжатие, МПа............................ 250
При изготовлении труб стекложгут наматывают на стекло-шпон в строго заданном порядке с определенным числом поперечных и продольных слоев, в результате чего обеспечивается высокая прочность труб. Каждая труба проходит опрессовку под давлением не менее 4,5 МПа. В колонну трубы собирают с помощью гладких муфт и фланцевых соединений. При использовании стеклопластиковых труб в буровом деле их соединяют гладкими муфтами с применением особо прочных клеев (на эпоксидных смолах, БОВ и др.).
Трубы, выпускаемые Северодонецким заводом стеклопластиков, имеют следующие параметры:
Диаметр, мм...................................... 30—300
Толщина стенки, мм....................................2—10
Длина, м..........................................3—6
Трубы из стеклопластика на основе полиэфирных смол, не апробированные органами санитарного надзора, можно использовать для технических целей, а в случае применения в качестве связующего эпоксидных смол — для питьевого водоснабжения (опыт США). Применение труб из стеклопластика для фильтров было предложено ВНИИ ВОДГЕО в 1963 г. Перфорированные трубы из стеклопластика использовали в качестве опорных каркасов для фильтров с водоприемной поверхностью из винипластовой сетки. Три фильтра такой конструкции установлены на Горьковском стационаре ВНИИ ВОДГЕО. Технология изготовления таких фильтров затруднялась тем, что при выходе сверла или фрезы на внутренней поверхности трубы разрывались стеклянные нити.
Американская фирма «Фибергаст Компани» в штате Оклахома выпускает трубы из стеклопластика диаметром от 60 до 273 мм. В отличие от существующих методов навивки стеклоткани на стек-лошпон в виде стекложгутов, эта фирма для труб больших диаметров применяет грубую стеклоткань полотняного переплетения и эпоксидные смолы. Внутреннюю поверхность труб покрывают
4*
51
прочной пленкой, которая образует гладкую зеркальную поверхность. Щели на фильтрах нарезают дисковыми фрезами. Основные данные фильтров из стеклопластика приведены ниже:
Наружный диаметр, мм........................ 219 260,35
Толщина стенки, мм............................. 4,57
5,08
Ширина щели, мм................................ 2,28
Длина щели, мм.................................. 44,45
Число щелей:
в одном поясе по горизонтали на 1 м . . 18 21
в одном ряду по вертикали на 1 м . . . 72 78
Скважность, i%.................................7 8
Фильтры из стеклопластика применяются в африканских странах и Пакистане при оборудовании скважин, сооружаемых для орошения и дренажа сельскохозяйственных территорий, а также используются при каптаже вод с температурой до 60—80 °C.
Исследования фильтров из стеклопластиковых труб показали, что при механической обработке:
нарушается структура материала, разрыв нитей ведет к уменьшению механической прочности;
требуется применение специального режущего инструмента, так как абразивное воздействие стеклопластика на режущий инструмент быстро выводит последний из строя;
происходит отслоение разорванных стеклонитей при выходе «сверла или фрезы на внутреннюю поверхность трубы, что вызывает необходимость футеровки внутренней поверхности трубы прочной пленкой из смол;
наблюдается повышенное водопоглощение на участках, где обработанная поверхность отверстий не покрыта смоляной пленкой.
Перечисленные недостатки свидетельствуют о нецелесообразности использования готовых стеклопластиковых труб в качестве исходного материала для изготовления фильтров, тем более что существующие способы намотки пропитанных соответствующими связующими непрерывных стеклонитей (стекложгутов) на оправку обеспечивают непосредственное формование трубы с отверстиями, не требующими дальнейшей механической обработки.
Рассмотрим несколько вариантов конструкций стеклопластиковых фильтров, полученных двумя методами намотки: косой перекрестной и продольно-поперечной.
Фильтры, образованные косой перекрестной намоткой. Стеклонити 1, сматываясь с бобин, пропитываются связующим в ванночке 2 (рис. 21). Затем специальным устройством 3 с них снимается избыток связующего и с помощью нитеводителя 4 стеклонити наматываются на оправку 5. Вращение последней кинематически жестко связано с возвратно-поступательным движением нитеводителя. Это позволяет подобрать такое соотношение между частотой вращения оправки и скоростью движения нитеводителя, что стеклонить будет формовать на оправке сетчатую структуру с отверстиями заданного размера. Эти отверстия не нуждаются в
52
механической обработке. Впервые этот метод был использован в Харьковском отделении стеклопластиков ВЭИ им. В. И. Ленина при изготовлении фильтров внутренним диаметром 165 мм и длиной 3 м.
Изменяя угол намотки (от 5 до 85°), можно изготовить фильтр с отверстиями ромбической формы. Прочность и жесткость фильтров из стеклопластика зависят от толщины стенки, которая соз-
РИС. 21. Схема установки для намотки фильтров из стеклопластика
.дается в процессе формования в довольно широких пределах от 3 до 30 мм.
В скважинах, где применяются фильтры с каркасами из бурильных дырчатых труб с водоприемной поверхностью из сеток и тканей, могут быть использованы стеклопластиковые фильтры следующих конструкций. Опорный каркас выполнен из дырчатого •стеклопластикового фильтра и обмотан стеклонитями без пропитки. Рисунок намотанных стеклонитей напоминает или точно повторяет рисунок каркаса. Такой фильтр состоит из внутреннего стек-лопластикового каркаса, водоприемной поверхности из стеклонитей и наружного стеклопластикового каркаса. Вместо стекложгу-тов, используемых в качестве водоприемной поверхности, можно применять фильтровальные синтетические ткани. В некоторых случаях, если размеры отверстий опорного каркаса велики (диагональ 25 мм и более), для предупреждения продавливания стеклонитей или стеклоткани наматывается винтообразная стеклопласти
53
РИС. 22. Схема фильтра из стеклопластика с продольными щелями:
а — шаг поворота оправки; Ь — расстояние по осн между поперечными стекложгутами; d — ширина стекложгута; I н Ц — ширина просвета образованной щели
ковая спираль с шагом 8—12 мм. Все перечисленные операции осуществляются на специальном оборудовании с помощью одной установки. Внутренний опорный каркас воспринимает давление горных пород и служит основой для устройства на нем водоприемной поверхности.
Фильтры из стеклопластика соединяются следующим образом: в оба торца трубы на клею запрессовывают металлические патрубки с наружной и внутренней резьбой. При испытании образца дырчатого фильтра длиной 770 мм, изготовленного из шести жгутов, в. 30 сложений каждый при числе слоев 19, в результате приложения растягивающих сил вдоль оси фильтра среднее разрушающее усилие составляло 17,8 кН, а при сжатии — 17,2 кН.
Фильтры, образованные продольно-поперечной намоткой. Из стеклопластиков при продольно-поперечной намотке могут изготовляться фильтры с отверстиями в виде щелей, перпендикулярных к оси или параллельных ей. Сущность продольно-поперечной намотки состоит в том, что на оправку одновременно наматываются как продольные, так и попе
речные стеклонити, предварительно пропитанные связующим. Причем во время возвратно-поступательного движения нитеводи-теля оправка не вращается. Поворот ее происходит в момент нахождения нитеводителя в крайних положениях. Угол поворота оправки определяет величину паза вдоль оси, в то время как расстояния между поперечными стеклонитями определяют величину, поперечных пазов. Продольные стеклонити крепятся с помощью специальных коронок, надетых на края оправки.
На рис. 22 изображена ячейка каркаса фильтра, полученная указанным способом. Сочетая продольно-поперечную намотку с косой перекрестной, можно изготовлять стеклопластиковые каркасно-стержневые фильтры. В таком фильтре каркас образован продольно-поперечной намоткой, а затем методом косой перекрестной намотки на каркас наматывается стеклопластиковая спираль.
Следует заметить, что при намотке проволочной спирали металлический каркас испытывает сжимающие усилия, которые в дальнейшем складываются с давлением горных пород. При намотке стеклопластиковой спирали на стеклопластиковый каркас такого явления не происходит, так как спираль наматывается до снятия каркаса с оправки. В данном случае силы натяжения стеклонитей воспринимаются оправкой, в то время как нормальное
Б4
РИС. 23. Стеклянный диск для набора щелевых фильтров
давление стеклонитей на каркас лишь усиливает адгезионные свойства материала.
Перечисленные конструкции стеклопластиковых фильтров не исчерпывают всех возможностей указанных способов, на основе которых могут быть созданы принципиально новые конструкции. В настоящее время в лаборатории ВЭИ им. В. И. Ленина (Харьков) по заказу Дрогобычского завода, где выпускаются металлические фильтры, изготовлены опытные образцы фильтров из стеклопластика.
Фильтры из стеклопластика на основе полистирола разрабатываются также фирмой «Нольд». Они состоят из спирали и полос полистирола, ар-. мированных стекловолокном, витки которых образуют щелевые отверстия, расположенные горизонтально по окружности. Спираль стабилизируется при помощи восьми продольных полос шириной 30 мм, которые способны принимать на
себя нагрузку. Витки спирали имеют У-образное сечение, расширяющееся внутрь фильтра. Спираль стеклопластика намотана с шагом в две нитки на 26 мм с глубиной канавки около 6 мм. Такая форма спирали стеклопластика придает конструкции особую прочность. Намотка стеклопластика по спирали позволяет разрезать фильтр в любом сечении и соединить его при помощи ниппеля.
Фирмой «Нольд» освоен выпуск фильтра из стеклопластика следующих размеров:
Диаметр, мм:
внешний..........................................432
внутренний.......................................415
Толщина стенки, мм......................................8,5
Ширина проходного отверстия, мм.........................1,8
Скважность, %........................................Ю,5
Масса 1 м, кг........................................13
Диаметр соединительного ниппеля, мм:
внешний . ....... 470
внутренний..........................................396
Масса ниппеля, кг......................................5,5
Масса заглушки для отстойника, кг......................6
Нормальная длина звена фильтра, м......................3
Фирма «Нольд» фильтры из стеклопластиков благодаря их высокой прочности считает более эффективными, чем фильтры из поливинилхлорида.
55
Фильтры кольчатые из стеклянных дисков
Устойчивость стекла против коррозии послужила основанием для разработки различных конструкций фильтров для водозаборных скважин. Стекло обладает высокими механическими показателями. Для некоторых его сортов временное сопротивление сжатию достигает 700—1300 МПа, а сопротивление растяжению — 40—• 90 МПа.
В практике водоснабжения известно изготовление щелевых фильтров из стеклянных дисков (рис. 23). Рабочая часть фильтра
РИС. 26. Схемы установки фильтра из пластмассовых дисков
56
РИС. 24. Элемент сборного фильтра из пластмассовых колец
РИС. 25. Сборный кольчатый фильтр из пластмассовых дисков сложного профиля:
1 — обсадная труба; 2 — болт; 3 — отстойник;
4, 7 — нижний н верхний опорные фланцы;
5 — кольцо фильтра; 6 — вкладыш; 8 —- надфильтровая труба; 9 — прокладки; 10 — опорные площадки
составляется из этих дисков, собираемых при помощи анкерных болтов и металлических подпятников. Щели для прохода воды между дисками регулируются при сборке. Стеклянные диски изготовляются путем прессования с последующей шлифовкой их поверхности. Такие фильтры устанавливают в крупнозернистых песках без обсыпки и в мелкозернистых с обсыпкой. К недостаткам этих фильтров относится их чувствительность к ударным нагрузкам.
Фильтры кольчатые из пластмассовых дисков
Разработка фильтров из пластмассовых элементов была начата в Московском гидромелиоративном институте (МГМИ) в 1959 г. В фильтрах этой конструкции отдельные элементы из пластмасс собирают на металлических стержнях, где между кольцами образуются проходные отверстия. Были разработаны и исследованы фильтры-каркасы двух типов. Фильтры первого типа состоят из колец сложной формы (рис. 24). Техническая характеристика этого фильтра приведена в табл. 28.
При сборке колец в колонну образуется фильтр (рис. 25).
ТАБЛИЦА 28
Характеристика фильтров из наборных колец сложного профиля
Диаметр фильтра, мм Ширина щели по внутреннему диаметру, мм Скважность, %
наружный внутренний по наружному диаметру по внутреннему диаметру
100 60 1,5 70 15
150 по 1,5 70 15
170 120 1,5 70 15
200 150 1,5 70 20
250 200 1,8 50 20
290 226 1,8 50 20
В мелкозернистых песках фильтр может работать как корзинчатый с обсыпкой мелким гравием при движении воды сверху вниз (рис. 26,а). В крупнозернистых песках и галечниках рекомендуется применять фильтр по схеме гравитационного типа, в которой движение воды совершается снизу вверх, когда образуется гравийная обсыпка из естественных пород (рис. 26,6). В мелкозернистых грунтах и в водах неустойчивого химического состава фильтр устанавливают как обычный щелевой с искусственным контуром гравийной обсыпки, которая позволяет увеличить проходные отверстия (рис. 26,в).
В МГМИ разработана конструкция фильтра из наборных горизонтальных колец, аналогичная фильтрам французской фирмы «С. Н. Мареп», но лишь с той разницей, что во французской конструкции проходная щель расширяется от внешней поверхности к внутренней, тогда как в фильтрах МГМИ скважность внешней по
57
верхности превышает скважность внутренней поверхности в 2— 3 раза. Фильтр этой конструкции в разрезе показан на рис. 27, а техническая характеристика дана в табл. 29.
Для установки фильтров из колец в скважины питьевого водоснабжения в М.ГМИ исследовали пластические и синтетические ма
РИС. 27. Сборный фильтр из колец простого профиля:
1 — иадфильтровая труба; 2 — фланцы;
3 — кольца; 4 — болт; 5 — отстойник
териалы, которые не влияют на ка-чество воды. Например, пластмассовые фильтры, каркасы которых изготовляли из волокнита и декорро-зита, допущены Минздравом СССР для скважин хозяйственно-питьевого назначения. Конструкции фильтров МГМИ проходили производственную проверку в скважинах в течение 8 лет на объектах: в Латвийской ССР, Армянской ССР, Голодной стени, где была подтверждена их эффективная работа.
Фильтры из пластин полипропилена Институт инженерной геологии в Брно (ЧССР) разработал конструкцию фильтров из сборных элементов— пластин полипропилена, которые собираются в колонну необходимого диаметра. Элемент такого фильтра показан на рис. 28. Он имеет сферическую форму, длина его 155 мм, ширина в зависимости от диаметра 15—27 мм, толщина 2—3 мм. На концах элемента имеются два соединительных кольца с отверстиями диаметром 13 мм для пропуска 12 мм анкерных болтов. Общий вид конструкции в собранном виде дан на рис. 29, а характеристика этих фильтров приведена в табл. 30.
К числу недостатков данной конструкции, по нашему мнению, следует отнести большое несоответствие ширины щели ее длине, например 2: 15 или 3:27. Практика подтверждает, что с увеличением пути фильтрации ухудшаются гидравлические показатели конструкции фильтров и в проходных отверстиях накапливаются осадки (механические и химические).
Фильтры щелевые из фанерных труб
Фанерные фильтры со щелевой перфорацией изготовляются в ЧССР. Для повышения механической прочности и антикоррозионной стойкости эти фильтры обрабатывают в специальных вакуум-
58
РИС. 28. Элемент сборного фильтра из пластин полипропилена
РИС. 29. Общий вид щелевого фильтра из пластин полипропилена:
/ — фильтрующая поверхность из сборных элементов; 2 — металлическое кольцо жесткости
ТАБЛИЦА 29
Характеристика фильтров из наборных колец простого профиля
Минимальный диаметр труб, рекомендуемый для установки фильтра, мм Диаметр фильтра, мм Ширина зазора между дисками по внутреннему диаметру. мм Болты для стягивания Скважность, % по диаметру
наружный внутренний Число Диаметр, мм наружному внутреннему
219 но 150 1,0 3 10 70 20
324 170 210 1,5 4 14 70 20
377 210 260 1,8 4 16 50 30
426 260 310 1,8 4 18 50 30
ТАБЛИЦА 30
Техническая характеристика сборных фильтров из пластин полипропилена
Диаметр, мм Внутренний диаметр, обусловленный многогранностью фильтра, мм Число пластин Ширина пластины, мм
наружный внутренний
244 214 164 5 15
282 252 214 6 15
320 290 256 7 15
360 330 300 8 15
443 408 378 10 17
484 447 417 11 18
566 527 497 13 19
607 566 536 14 —
648 606 576 15 21
689 646 617 16 22
850 — 755 20 —
1100 1045 1010 26 27
59
ТАБЛИЦА 31
Характеристика фильтров из фанерных труб
Диаметр, мм Ширина щели, мм Перемычка между щелями, мм Число щелей по окружности Длина звена, мм Масса 1 м, кг Скважность, %,
наружный внутренний
282 250 5 14,7 45 1750 26,5 18,4
332 300 5 14,7 53 1750 32,0 18,3
402 370 5 - 14,7 64 1750 42,0 18,2
РИС. 30. Схема нарезки щелей на фанерных трубах
ных установках раствором эпоксидной смолы марки 300 АС с добавкой саргена. Основные параметры выпускаемых фильтров приведены в табл. 31.
Повышение прочности фанерных фильтров после обработки эпоксидной смолой проверяли на образце трубы диаметром 282/250 мм. Осевое давление составляло 2,45 и 4,21 МПа, а давление на изгиб — 265 и 389 МПа соответственно до и после обработки. Щели на фильтрах нарезаются дисковыми фрезами d= 125 мм по схеме, приведенной на рис. 30.
Звенья фильтра собирают в колонну необходимой длины при помощи конусных соединений, растачиваемых на обоих концах фанерных труб и склеиваемых эпоксидной смолой. В зависимости от гранулометрического состава пород фильтры устанавливают с гра
вийной обсыпкой или без нее. В ЧССР эти фильтры в большинстве случаев устанавливают с контуром однослойной и двухслойной гравийной обсыпки.
§ 10. Гравийные фильтры
Проблемы увеличения водоотбора и долговечности службы водозаборных скважин связаны с внедрением фильтров гравийного типа. Гравийные фильтры получают всеобщее признание, в связи с чем совершенствуются как конструкции фильтров, так и методы сооружения скважин, оборудованных ими. К гравийным относятся фильтры, у которых поверхность, контактирующая с водоносной породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного вокруг опорных фильтровых каркасов, из щелевых труб, проволочных, стержневых и др. Гравийную обсыпку следует рассмат-
60
ТАБЛИЦА 32
Классификация фильтров гравийного типа
Фильтры, создаваемые на забое скважины с многослойной обсыпкой Сооружаются с помощью бурения скважин большого диаметра и вспомогательных колонн
с однослойной обсыпкой обсыпка, расширенного контура толщиной 100—200 мм и более 6Sa5f.p.2g*.si О m ►г’ то сп С-2-< cLS S S о о- д ю к >> О « >« о Ч Ц ° СП Л W я _ СП д со ч <s Р ►*« ts ч дол О 2 S ы х* S с 'о § е-? д 2 Й О о S л t л Й СО р м \п Н о о Ч - со л Н Я О Ч о ffi \о р-ч офи Sffi
обсыпка тонкослойная толщиной 40—50 мм Обсыпка производится по межтрубному пространству при свободном падении частиц на забой
•К с в 3 и 1С с «а с и «а о ч о о о м S к ч к « о и «а о ч о к ч о о 3 о ч к е собираемые на поверхности земли rt И К О О И О ч яко® 2 2 2 о я о О О О О- О ° $ « « & а * Е <u g е о § >.g g m ЮЧ^СО^ЬЧ^ л о а ° 2 ь Si'S ч § iSs ? ess*i и - ₽ ь .щ g - 2 ° £ R a s=s s s В « g s g к -&O 2 4 § m g й«"Ечо.шк:авч
ф й о X £ о Изготовляются на осно- ве стальных щелевых труб и сеток, деревянных труб и сеток, стальных труб и штампованной листовой стали, ви-ннпластовых труб и сеток, металлических каркасов из стержней, сеток, изготовляемых на основе. синтетических материалов (полиэтилена, полистирола и др.)
корзинчатые Ввиду малой производительности и сложности установки массового применения не получили
61
ривать как средство улучшения фильтрационных свойств пород в прифильтровой зоне и как конструктивный элемент, позволяющий увеличивать размер проходных отверстий, а следовательно, и скважность фильтровых каркасов.
При эксплуатации подземных вод используют гравийные фильтры двух видов: опускные, которые устанавливают в скважины в готовом виде, и создаваемые внутри скважин путем засыпки или закачки гравия на забой по межколонному пространству. Подразделение гравийных фильтров на две основные группы дает только общее представление о методах устройства и установки фильтров в скважины.
В настоящее время в этих группах появились свои конструктивные особенности. В табл. 32 приведена классификация фильтров гравийного типа.
Фильтры, создаваемые на поверхности земли
Из отечественного опыта бурения и эксплуатации скважин с корзинчатыми фильтрами на водозаборах в Вильнюсе, Воронеже, Мозыре и др. было установлено, что эти конструкции малопроизводительны, быстро кольматируются, сложны в производстве и при установке в скважины. По этим причинам такие фильтры не получили развития.
Фильтры кожуховые с гравийным заполнителем. Фильтры, у которых гравийные обсыпки удерживаются при помощи кожухов, изготовляемых из металлических и синтетических сеток, применяются в нашей стране и за рубежом. Как правило, кожуховые фильтры устанавливают для отбора воды из мелкозернистых песков, и в этих случаях после спуска кожухового фильтра в скважину производится обсыпка второго слоя гравитационным способом. В некоторых случаях для глубоких скважин фильтры устанавливают без дополнительной гравийной обсыпки. Кожуховые фильтры устанавливали при строительстве дренажных скважин в Ульяновске, Каменке-Днепровской и в других местах.
Основой для кожухового фильтра могут быть трубчатые опорные каркасы из просечного листа, а также каркасно-стержневые. Для устройства кожухов в нашей стране применяется строительная сетка из простой стали квадратного плетения с размером ячейки 1X1 или 2X2 мм и редко более. В практике строительства скважин в ГДР и ФРГ используются сетки из синтетических материалов, описание которых дано в § 3. При больших диаметрах скважин глубиной до 100 м толщина засыпки гравия в кожухе составляет 35—70 мм.
Фильтры блочного типа. В скважинах глубиной до 100 м успешно используются гравийные фильтры с рыхлой обсыпкой, которая создается путем засыпки или закачки гравия в межтрубное пространство. В более глубоких скважинах с небольшим конечным диаметром, а также при вскрытии напорных водоносных горизонтов, самоизливающихся на поверхность земли, устройство таких
62
гравийных фильтров затруднено, а в некоторых случаях невозможно. Кроме того, производство рыхлых обсыпок требует необходимых технических навыков у буровых мастеров. Поэтому были созданы фильтры блочного типа, у которых гравийная обсыпка связана различными склеивающими и цементирующими веществами. Основная идея создания фильтров этой конструкции заключается в том, чтобы устанавливать гравийный фильтр в готовом виде. Изготовленные пористые блоки надевают или наклеивают на опорные каркасы из стальных или асбестоцементных труб и опускают в скважину в готовом виде.
Гравийные фильтры блочного типа должны отвечать следующим требованиям:
1) блоки, надеваемые на стальные каркасы, должны сохранять необходимую прочность, или она может снижаться в такой степени, чтобы остаточная прочность была достаточной в течение срока работы сооружения;
2) склеивающие вещества должны быть устойчивыми по отношению к коррозии и эрозии;
3) склеивающие вещества не могут содержать химических компонентов, вредных для здоровья человека, что необходимо строго учитывать при бурении скважин питьевого назначения;
4) размеры пор и пористость фильтров должны обеспечивать необходимый приток воды к скважине.
Гравийные фильтры блочного типа могут быть двух видов: монолитные и пустотелые. Монолитные фильтры имеют сплошное гравийное заполнение: фильтрация воды через него происходит по периметру, а выходит вода через верхний торцовый конец. В пустотелых фильтрах блочного типа фильтрация воды происходит по периметру через гравийное кольцо, а выходит вода через ствол, образованный пустотелыми блоками по всей длине фильтра, либо через трубчатый каркас, на который надеты блоки.
В нашей стране для связи гравийных частиц в блоки применяются различные склеивающие и цементирующие вещества: клей резиновый, силикатный, БФ-2, БФ-4, бакелитовый лак марки А,, битум, цемент, эпоксидная смола и другие вещества.
В результате лабораторных и полевых исследований выявились основные причины неудовлетворительной работы фильтров, блочного типа.
1. Введение склеивающих веществ в массу гравия приводит к образованию тупиковых пор, в связи с чем в блоках задерживаются мелкие частицы водоносных пород, что резко повышает входные сопротивления в фильтрах и снижает производительность скважин. Это особенно проявляется в фильтрах, изготовленных из мелкого гравия и песка.
2. Увеличение интенсивности механического и химического кольматажа на внешней поверхности фильтров и химического кольматажа на внутренней поверхности вследствие проникновения продуктов коррозии, образующихся при разрушении стальных опорных каркасов.
63
3. Разрушение при восстановлении производительности скважин с помощью взрыва детонирующего шнура. При кислотных обработках гравийных фильтров с использованием клея БФ-2 и БФ-4 резко понижается механическая прочность блоков и восстановление производительности скважин менее эффективно по сравнению со скважинами, оборудованными фильтрами с рыхлым контуром гравийной обсыпки.
4. Значительные повреждения при перевозках. В некоторых организациях бой фильтров достигал 40—60%. При установке фильтров в зимнее время наблюдались повреждения блоков вследствие замерзания и расширения воды в порах.
Все указанное выше привело к тому, что производство фильтров блочного типа и их внедрение в практику бурения в нашей стране ограничено, однако за рубежом эти конструкции применяются.
За последние годы в ряде стран (Югославия, ГДР, ФРГ, Австрия, Чехословакия) получили распространение фильтры, у которых опорные каркасы выполнены из стального штампованного листа с антикоррозионным покрытием либо из перфорированных асбестоцементных труб с жесткими гравийными обсыпками. На поверхности этих каркасов гравийная или песчаная обсыпка удерживается при помощи различных цементирующих или склеивающих веществ.
По- мнению различных авторов, фильтры из пористой керамики, бетона и другие должны сочетать одновременно опорный каркас и фильтрующую обсыпку; они устанавливаются в скважинах без дополнительной гравийной обсыпки. Согласно рекомендациям западных фирм, фильтры с гравийной оболочкой следует устанавливать в скважинах большого диаметра под защитой контура рыхлой гравийной или песчаной обсыпки. Такие конструкции фильтров и способы их установки резко изменяют условия работы фильтров, так как гравийная оболочка не контактирует с водоносной породой, а выполняет роль второго опорного слоя из гравия. Наружная рыхлая гравийная обсыпка предохраняет гравийную -оболочку от механического, а отчасти химического кольматажа, что создает более благоприятные условия работы фильтров.
В Югославии, ГДР, ФРГ такие фильтры устанавливают при бурении скважин больших диаметров (800—1000 мм) с контуром рыхлой гравийной обсыпки толщиной 200—250 мм на сторону.
Асбестоцементные фильтры «Бистрал». Югославский завод асбестоцементных изделий «Салонит» в 1965 г. освоил выпуск фильтров блочного типа на основе асбестоцементных труб и гравия, связанных между собой и с каркасом цементным раствором. Отличие фильтров этой конструкции от известных заключается в том, что в исходных материалах почти полностью удалена известь и, •следовательно, повышена их антикоррозийная устойчивость к разрушению. При изготовлении фильтров из обычного пористого бетона остаточное содержание извести составляет 17%, в то время
•64
как при автоклавном производстве с использованием силикатных цементов ее содержание не превышает 0,5%.
Технология производства фильтров «Бистрал» заключается в следующем: на перфорированную асбестоцементную трубу с диаметром отверстий 46 мм при скважности опорного каркаса 31— 45% наносится слой гравия, частицы которого связаны между собой и с каркасом цементным раствором. После сушки в автоклавах фильтры готовы к употреблению. Техническая характеристика фильтров приведена в табл. 33.
ТАБЛИЦА 33
Характеристика фильтров «Бистрал»
Внутренний номинальный диаметр фильтра, ММ Класс труб Номер гранулометрического состава гравийной оболочки
В — легкие С — тяжелые
Наружный диаметр, мм Масса 1 м, кг Наружный диаметр, мм Масса 1 м, кг
100 165 17,9 165 18,9 1—4
150 204 25,0 212 30,6
200 260 37,5 270 44,8
250 312 48,0 322 58,9
300 366 61,6 376 77,2
350 416 76,9 430 97,8
400 474 93,6 492 124,1 1—6
500 582 131,5 604 177,6
600 690 175,5 716 240,2
800 872 295,0 908 416
1000 1090 436 1122 608,5
Примечания. 1. Фильтры поставляются длиной 2 м. 2. Гранулометрический состав гравийных оболочек в зависимости от номера имеет следующий размер частиц (в мм): № 1 — 0,8—1,2; № 2—1,2—2,0; № 3 — 2,0—3,0; № 4 — 3,0—5,0; № 5 — 5.0—7,0; № 6—7,0—10,0.
Фильтры соединяются в колонну, а также с трубами и отстойником при помощи гладких асбестоцементных муфт, укрепляемых на трубах при помощи троса. Для уплотнения стыка, а также снижения напряжения в торцах соединяемых труб в теле муфты укладывают Т-образные резиновые прокладки. Как показали испытания, прочность на сжатие этих соединений достигает 450 МПа для труб диаметром 150 мм и 310 МПа для труб диаметром 400 мм. Как правило, фильтры «Бистрал» устанавливают в скважинах большого диаметра с последующей обсыпкой фильтра гравием.
При бурении дренажных скважин на месторождении лигнита применяли станки «Вирт-Ь-300» (ФРГ), которые позволяли бурить скважины диаметром 1000 мм на глубину 400 м. При установке блочных фильтров диаметром 376 мм под защитой гравийной обсыпки толщиной около 300 мм на сторону расход гравия на одну скважину составлял примерно 290 м3. На глубину 400 м фильтры обсыпали сортированным гравием dso= 1,5 мм и di0 =
5—643
65
=0,8 мм гравитационным способом, что давало удовлетворительные результаты. При откачке скважин эрлифтами и погружными насосами пескования не наблюдалось.
Фильтры, с гравийной оболочкой. Фирмы «Хагуста» и «Нольд» (ФРГ) выпускают фильтры блочного типа с гравием на основе связи гравия композициями из эпоксидных смол. Основу фильтров составляют асбестоцементные трубы с круглыми отверстиями диаметром 50—60 мм либо стальные трубы со щелевыми отверстиями, имеющие антикоррозийные покрытия на основе латексов или полиамидных смол.
Такие фильтры изготовляют по следующей схеме. В перфорированный каркас для предупреждения просыпания гравия внутрь фильтра вставляют специальные раздвижные оправки с подвижными штифтами, которые крепятся в кольцевые ряды отверстий с таким расчетом, чтобы штифты не доходили до наружной поверхности фильтра на 2—5 мм. После окончания сборки элементов оправки внутрь ее вставляют пластиковый баллон, который раздувается сжатым воздухом. Подготовленный таким образом каркас фильтра вставляется в металлический кожух, диаметр которого больше диаметра опорного каркаса фильтра. Вся эта система устанавливается на поддон виброплощадки. Гравий, смешанный с полимером, засыпается в межтрубное пространство и уплотняется при вибрации, образуя гравийную оболочку толщиной 23 мм на сторону. Виброустановка находится в шахте, где обеспечивается
ТАБЛИЦА 34
Масса фильтров с гравийной оболочкой на основе асбестоцементных труб (в кг)
Элемент Номинальный диаметр труб, мм
150 200 300 400 500 600 800
1 м труб 20,8 28,5 54,0 89,1 137,0 162,8 232,1
1 м труб с гравийной оболочкой на эпоксидной смоле 36,3 47,5 82,0 119,1 219,8 299,1
Заглушка из асбестоцемента для отстойников фильтров 5,0 7,0 16,0 47,2 56,5 81,4 100,1
подогрев до 130 °C, в результате чего ускоряется процесс полимеризации. Для предупреждения склеивания вспомогательного кожуха с оболочкой его покрывают предохранительной смазкой.
Сведения по асбестоцементным фильтрам с гравийной оболочкой приведены в табл. 34. Фильтры данной конструкции выпускают звеньями длиной 1,25—2,50 м.
При нанесении слоя гравийной оболочки на металлические щелевые фильтры с проходными отверстиями открытого типа внутрь каркаса вставляют резиновый или пластиковый баллон без оправок, в который накачивают воздух, что предупреждает просыпание гравийной массы внутрь фильтра. Фильтры с гравийной оболочкой на стальных штампованных каркасах выпускаются двух ти
66
пов: с фланцевыми и муфтовыми соединениями. Сведения о фильтрах даны в табл. 35.
Фирма «Нольд» выпускает фильтры блочного типа с гравийной и песчаной оболочками на основе связи частиц эпоксидными смолами и штампованными щелевыми каркасами. В отличие от филь-
ТАБЛИЦА 35
Фильтры с гравийной оболочкой на эпоксидной смоле с каркасами из штампованных щелевых сварных труб
Размеры, мм Номинальный диаметр фильтра, мм
100 100 200 250 300 350
Внутренний диаметр Толщина: 98 148 192 248 298 348
просечного стального листа 2,5 2,5 3 3 3 4
стального листа с антикоррозийным покрытием 4 4 4,5 4,5 4,5 5,5
слоя гравия Наружный диаметр фильтра: 18 18 18 18 18 18
по гравийной оболочке 144 194 239 295 345 396
по муфтовым соединениям 119 176 222 276 333 383
по фланцевым соединениям 168 219 264 320 370 422
Масса 1 м фильтра, кг 16,5 27 34 42 50 57
Продолжение табл. 35
Номинальный диаметр фильтра, мм
Размеры, мм 400 500 600 700 800 1000
Внутренний диаметр Толщина: 391 498 598 698 786 998
просечного стального листа 4 4 5 5 6 6
стального листа с антикоррозийным покрытием 5,5 5,5 6,5 6,5 7,5 7,5
слоя гравия Наружный диаметр фильтра: 18 20 20 20 20 22
по гравийной оболочке 438 551 653 753 848 1059
по муфтовым соединениям 426 — — — -— —
по фланцевым соединениям 465 593 695 795 885 1115
Масса 1 м фильтра, кг 65 89 104 120 137 173
тров фирмы «Хагуста», в которых стальные каркасы защищаются латексами электрофоретическим способом, в фильтрах фирмы «Нольд» антикоррозионная защита стальных каркасов осуществляется за счет рильсанового покрытия1.
В последние годы известен опыт применения в скважинах на воду фильтров блочного типа из гранулированных пластмасс и металлокерамических конструкций, получаемых спеканием.
1 Подробно изложено в разделе по защитным покрытиям.
5*
67
Фильтры, создаваемые на забое скважины
В отличие от гравийных фильтров, которые изготовляются на поверхности земли и опускаются в скважины в готовом виде, применяются гравийные фильтры, сооружаемые на забое скважин. Существуют два способа сооружения фильтров таких конструкций.
1. Гравитационный, при котором гравий осаждается вокруг фильтра при свободном падении частиц на забой в межтрубном пространстве под действием сил тяжести.
2. Принудительного осаждения гравия путем закачки его на забой потоком промывочной жидкости с использованием различных приспособлений.
Обычно гравитационный способ применяется в скважинах, глубина которых не превышает 100 м. При установке фильтров на эксплуатационной колонне впотай толщина гравийной обсыпки обычно невелика и находится в пределах 50—75 мм. Такие скважины очень часто сооружаются в сельскохозяйственном водоснабжении. За нижний предел принимается толщина обсыпки 50 мм, так как при меньшей разнице между диаметрами фильтровой и обсадной колонн гравийные обсыпки могут быть ненадежными.
Как показывает практика, при искривлении ствола, некачественной сортировке гравия, нарушении режима засыпки, при возможности его расслоения в зависимости от величины столба воды в скважине, степени неоднородности гравия, формы окатанности его частиц очень часто скважины с тонкослойными обсыпками пескуют.
Для сооружения гравийных обсыпок в глубоких скважинах небольших диаметров гравитационный способ неприменим по следующим причинам: 1) при свободном падении гравия не всегда удается получить достаточно уплотненные фильтры, что может вызвать длительное пескование скважин и обрушение пород в фильтровой области; 2) при недостаточном зазоре между рабочей и фильтровой колоннами и большой глубине скважины возможно заклинивание труб гравием и образование висячих гравийных пробок выше фильтра.
В мелкозернистых породах, а также в породах, представленных среднезернистыми фракциями, но при наличии вод, склонных к выделению солей на фильтрах, необходимо применять двухслойную и реже трехслойную обсыпки. Применение многослойных об-" сыпок усложняет и удорожает сооружение скважин. Кроме того, при небольшой разнице в диаметрах труб обсыпки получаются тонкослойными, малонадежными. Некоторыми теоретическими и лабораторными исследованиями подтверждено, что суффозионный вынос пород через обсыпки мало зависит от их толщины, в частности, для успешной работы фильтра слой гравия 38—50 мм является достаточным. Однако наблюдениями установлено, что производительность фильтров и устойчивость их от зарастания во времени будут тем большими, чем больше толщина гравийной обсып
68
ки. Это положение согласуется с данными работы нефтяных скважин и подтверждается исследованиями В. Н. Щелкачева.
Наблюдения и исследования, проведенные во ВНИИВОДГЕ0, также подтверждают, что при увеличении объема и контура обсыпки эффективность применения обсыпок разнозернистого состава увеличивается, а опасность суффозионного выноса уменьшается. С учетом этого рекомендуется принимать минимальную толщину слоя обсыпки 50 мм. При этом надо стремиться по возможности увеличивать контур гравийной обсыпки.
Исходя из анализа указанных выше причин неудовлетворительной работы фильтров с тонкослойными обсыпками, стремятся сооружать скважины с однослойной обсыпкой гравия уширенного контура. В настоящее время это достигается различными техническими методами и приемами.
Наиболее успешно скважины с гравийными фильтрами сооружаются при роторном способе бурения с обратной промывкой забоя чистой водой. В отечественной практике при этом способе бурения ' достигнута глубина 200—250 м при диаметрах скважин 750—1000 мм, а толщина обсыпки гравия нередко достигает 200— 300 мм на сторону, что расширяет возможность устройства гравийной обсыпки гравитационным способом.
За последние годы во многих организациях, например в трестах Союзшахтоосушение, Востокбурвод, Промбурвод, при бурении скважин диаметрами 250—400 мм увеличивают контур гравийной обсыпки на участке установки фильтров при помощи механических и гидравлических расширителей, а также путем интенсивной прокачки скважины эрлифтом при одновременном нагнетании воды за контур фильтра с подачей гравия на забой. Эти способы полностью себя оправдали при сооружении водопонизительных скважин на Белозерском железорудном месторождении, а также при бурении скважин глубиной 800 м для водоснабжения Харькова.
В целях борьбы с пескованием скважин и увеличения контура обсыпки, а следовательно, и повышения производительности скважин известны и были запатентованы методы бурения вспомогательных скважин вокруг центральной для последующей засыпки в них гравия. Такие скважины были пробурены на Украине, но дебит существенно не увеличился. Наибольшее число скважин (55) такой конструкции пробурено ударным способом на Киевском водозаборе в Курске, где отмечено некоторое увеличение дебита.
§ 11. Технология и способы защиты фильтров от коррозионного разрушения
Антикоррозионные покрытия, которые применяются для защиты фильтров от разрушения, должны удовлетворять следующим требованиям:
1) сохранять устойчивость против химической и электрохимической коррозии в процессе эксплуатации;
69
2) не повреждаться при химических и взрывных способах восстановления производительности скважин в процессе эксплуатации;
3) включать элементы, безопасные в токсическом отношении, и не влиять на вкус и запах воды, полностью удовлетворять санитарно-эпидемиологическим требованиям.
При выборе защитных покрытий для серийного производства фильтров большое значение имеет поточность производства. Так, некоторые покрытия требуют двукратного нанесения грунтовок, трехкратного нанесения антикоррозионного слоя, причем после каждой операции необходимо делать перерывы для воздушной или температурной сушки. Такая технология покрытий затрудняет поточность производства, при этом необходимы большие площади для промежуточного складирования. Поэтому отдается предпочтение покрытиям, которые производятся по схеме: очистка— нанесение покрытий — сушка — выход готовой продукции.
В настоящее время имеется много предложений по защитным покрытиям из металла (цинкование, обмеднение, кадмирование) и синтетических материалов на основе полимерных веществ и латексов. Как показал опыт, металлические покрытия, в частности цинковые, являются малонадежными и разрушаются при эксплуатации в течение 2—4 лет.
С учетом отечественной и зарубежной практики для антикоррозионной защиты фильтров наибольший интерес представляют следующие виды покрытий:
эмалевые, наносимые в электромагнитном поле; полиэтиленовые, наносимые вихревым способом; органосиликатные на основе кремнийорганических соединений, наносимые путем опускания в емкость и окраски;
полиамидные, наносимые вихревым способом;
найритовые на основе хлорпреновых каучуков, наносимые путем опускания в емкость и окраски.
Основная операция перед нанесением защитных покрытий — очистка фильтров от окалины и жировых веществ, а также удален ние с фильтров острых кромок и заусенцев, которые образуются при механической обработке. Фильтры подготовляют путем травления в кислотах либо путем механической очистки дробеструйными аппаратами. На некоторых предприятиях в СССР применяется комбинированный способ кислотного травления с последующей дробеструйной обработкой поверхностей. На практике отдают предпочтение дробеструйной очистке, поскольку защитные пленки, наносимые на шероховатые поверхности, обладают лучшими адгезионными свойствами.
Эмалевые покрытия для трубчатых фильтров, изготовляемых из обсадных труб или штампованного листа, разработаны во ВНИИСТе в содружестве с ВНИИВОДГЕО. Эмалевые покрытия отличаются устойчивостью к кислым и щелочным средам и ударным нагрузкам, а гладкая их поверхность способствует уменьшению осадкообразования на фильтрах. Технология нанесения эма
70
левых покрытий на фильтры отличается относительной простотой и выполняется в следующем порядке:
1) очистка каркасов от окалины;
2) нанесение эмалевого шликера на фильтры путем опускания в шликер;
3) подсушивание шликера на каркасах при температурах. 100—150 °C;
4) оплавление шликера при температуре 700—800 °C;
5) воздушное охлаждение.
В отличие от обжига эмалевых покрытий в муфельных печах эмалируемые каркасы нагревают токами высокой частоты при помощи кольцевых индукторов либо методом контактных сопротивлений.
При внедрении способа эмалирования на трубчатых каркасах полностью не отработана технология снятия острых кромок на внутренней поверхности проходных отверстий. Эта задача значительно упрощается при изготовлении фильтровых каркасов штампованием с последующей вальцовкой и сваркой. При этом зачистка отверстий и снятие заусенцев значительно упрощаются.
Полиэтиленовые покрытия. Технология нанесения полиэтилена на трубы и фильтры разработана во ВНИИметмаше. Полиэтилен наносится вихревым способом, который является универсальным и позволяет одновременно покрывать внутреннюю и наружную поверхности фильтров. Технология нанесения полиэтилена осуществляется по схеме: нагрев — напыление — оплавление — охлаждение под душем. Для этого звенья фильтров помещают в печь, где они нагреваются до 240—250 °C, после чего поступают в камеру напыления. В этой камере находится тщательно просеянный порошкообразный полиэтилен, смешанный с термосТабилизпрующпми добавками и 5% окиси хрома. При помощи поддува воздуха или другого инертного газа через пористое дно камеры порошок переводится в псевдоожиженное состояние и оседает на подогретый фильтр. Толщина пленки зависит от времени нахождения фильтра в камере. После напыления фильтр перемещается в камеру оплавления, температура в которой составляет 200 °C.
Для получения гладкой поверхности и уплотнения полиэтилена фильтры на выходе из камеры оплавления попадают в душевую, где, охлаждаясь, приобретают глянцевую поверхность. Согласно разработанной ВНИИСТом технологии, покрытие на звено фильтра длиной 3 м наносится в течение 6—8 мин. При этом расход полиэтилена на 1 м2 поверхности составляет 1,5—2,0 кг при толщине пленки 0,8—1,0 мм.
Органосиликатные покрытия. Рецептура и технология защитных покрытий на основе кремнийорганических соединений разработаны в Институте химии силикатов АН СССР в Ленинграде. Эти покрытия выпускают под товарным наименованием ВН-30 (СТУ-30-2943—66) и ВН-30 ДТС/8. В состав покрытий входят лаки, пигменты, органический растворитель и отвердитель. Эти покрытия представляют собой суспензии тонкоизмельченных си
71
ликатов и окислов в толуоловом растворе модифицированных по-лиорганосилоксанов. Кремнийорганические соединения обладают хорошей адгезией, ударной, химической и температурной стойкостью. Покрытия ВН-30 разрешено применять в фильтрах артезианских скважин.
Технологический процесс антикоррозионного покрытия ВН-30 разбивается на следующие основные операции:
подготовка поверхности изделия (очистка от окалины, загрязнений и обезжиривание);
подготовка материалов для покрытия;
нанесение материала на подготовленную поверхность;
сушка покрытий.
Органосиликатные материалы представляют собой однородные смеси, приготовленные из кремнийорганических полимеров и неорганических добавок в растворителе. При хранении и перевозке твердые компоненты органосиликатных материалов оседают. Для получения покрытий высокого качества жидкие органосиликатные материалы должны быть тщательно перемешаны в лопастной крас-комешалке. После перемешивания вязкость материала должна быть одинаковой по всему объему (примерно 18—20 с), проверяется она по воронке ВЗ-4.
Покрытие можно наносить кистью, путем пульверизации и погружения в емкость. Толщина одного слоя покрытия не должна превышать 0,05—0,1 мм. Для защиты поверхности фильтров необходимо наносить три слоя покрытий: два слоя ВН-30 (грунт) и третий слой ВН-30 ДТС/8 (отделочный). После нанесения каждого слоя покрытий требуется воздушная сушка в течение 1 ч и сушка после нанесения последнего слоя в течение 3 ч с постепенным повышением температуры от 20 до 300°C (1—2°C в 1 мин).
На покрытие 1 м2 поверхности в один слой расходуется около 100—150 г кремнийорганической краски. Как следует из описания, нанесение этого покрытия требует выполнения возвратных операций. Для осуществления трехслойного покрытия ВН-30 в поточной линии необходимо иметь три последовательно стоящих комплекта ванн для окраски и сушильных камер.
Полиамидные покрытия. На современном этапе полиамидные композиции должны гарантировать надежную работу конструкций в агрессивных средах. Установка для полиамидных покрытий металлических изделий и технология по их нанесению наиболее полно разработаны французской фирмой «Акитен-Арганико» и широко используются в промышленности многих стран под торговым наименованием «Рильсанизация». Рильсан, химическое название которого полиамид-11,1—органическое вещество, синтезированное из касторового масла, представляет собой порошок с частицами диаметром от 80 до 210 мкм.
Рильсановые покрытия прошли многолетнюю проверку в различных условиях, при которой было установлено, что они обладают большой химической стойкостью к атмосферным осадкам и температуре, к солям, щелочам, углеводородам и кислотам. По
72
крытия обладают хорошей адгезионной способностью, большим сопротивлением к ударным нагрузкам и сопротивлением на истирание.
В настоящее время рильсановые покрытия наиболее распространены в ФРГ. Время нагрева фильтра диаметром 300 мм до 400 °C составляет 4—4,5 мин, а время покрытия этих деталей в камере напыления с охлаждением— 1,5—2 мин.
В настоящее время отечественная промышленность освоила выпуск полиамида-12 на основе синтеза нефтехимических продуктов. Это покрытие по техническим показателя^ близко к полиамиду-11 и может быть использовано при антикоррозионной защите фильтров.
Нсшритовые покрытия. Рецептура и методика нанесения покрытий разработаны во ВНИИ синтетического каучука им. С. В. Лебедева в Ленинграде. Для покрытий разработаны составы двух типов:
1) гуммировочный состав на основе дисперсного или масляного жидкого найрита (ВТУ № ЛУ-109—61, ВТУ № ЛУ-126— 62) — для покрытий с помощью горячей вулканизации;
2) гуммировочный состав на основе найрита марки НТ (ВТУ № Б-5—63) — для вулканизированных и невулканизированных покрытий, твердеющих без нагревания вследствие кристаллизации каучука.
Основой гуммировочных составов являются хлоропреновые каучуки — найриты, подвергнутые химической деструкции для улучшения их растворимости. В качестве наполнителя используются термическая смола, вулканизующие агенты и смешанный растворитель, состоящий из сильвента, скипидара п-бутилового спирта.
Указанные выше гуммировочные составы не обладают адгезией к металлам и поэтому должны наноситься на предварительно загрунтованные поверхности. Для грунтовки применяется хлор-найритовый грунт (ВТУ № ЛУ-108—61). Грунт и покрытия можно наносить путем покраски, пульверизации или погружения фильтра в емкость при температуре 15—25 °C. Согласно рекомендациям, грунт на изделие наносят в два слоя с промежуточной сушкой на воздухе в течение 20 мин, а затем через 15 мин наносят первый слой гуммировочного состава. Для создания надежного покрытия состав наносят в три-четыре слоя с выдержкой между очередным покрытием не менее 2 ч.
При воздушной сушке полная кристаллизация каучука происходит при 20 °C в течение 15 сут. Сушка изделий может быть ускорена путем вулканизации в автоклавах, но перед этим изделия должны находиться в течение 3 сут на воздухе при 20 °C. В готовом виде трехслойное покрытие толщиной 1 мм, при котором на 1 м2 поверхности расходуется около 3 кг гуммировочного состава и 0,3 кг грунта, надежно защищает конструкции в агрессивных кислых и щелочных средах.
73
Приведенные сведения по антикоррозионным покрытиям показывают, что организация этого производства связана с установками (печи с регулируемым подогревом, автоклавы, обеспечение приточно-вытяжной вентиляции и др.), которые могут быть выполнены на специализированном предприятии. Наибольшего внимания заслуживает установка по нанесению рильсана, полиэтилена и частично эмалей.
В фильтрах могут применяться различные конструктивные материалы. Например, в ЧССР и ФРГ широко используются эпоксидные смолы для изготовления деревянных, стеклопластиковых и блочных фильтров. В нашей стране на данном этапе эпоксидные смолы не могут быть рекомендованы для массового производства. То же относится и к нержавеющим сталям. Изготовление фильтров полностью из нержавеющей стали представляется идеальным, однако ввиду дефицитности этой стали задача научных исследований заключается в поисках заменителей, которые при снижении расхода нержавеющей стали и стоимости фильтров удовлетворяли бы потребностям производства.
Такая задача была разрешена ВНИИВОДГЕО, где разработаны каркасно-стержневые фильтры, которые на протяжении 30 лет широко внедрялись на различных объектах городского, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Эксплуатационная проверка конструкций этих фильтров подтвердила их работоспособность: фильтры обеспечивают максимальный забор воды при долголетней работе скважин и позволяют производить все операции по восстановлению скважин. Каркасно-стержневые фильтры, извлеченные из дренажных скважин в Ульяновске после 18—20 лет эксплуатации, подтверждают их надежную работу.
Из других конструкций фильтров следует рекомендовать фильтры из просечного листа со щелями открытого типа и типа «мост». В этих конструкциях фильтров по сравнению с фильтрами с трубчатыми каркасами снижается потребление металла в 2—2,5 раза и при выполнении защитных покрытий обеспечивается долголетняя работа скважин. Поскольку просечные фильтры из стального листа используются при бурении скважин в ряде стран на протяжении 40—50 лет, нет оснований для сомнения в работоспособности этих конструкций.
Наиболее перспективным представляется оборудование скважин фильтрами этих двух типов в сочетании с контуром гравийной обсыпки. Применение фильтров с сетками галунного плетения следует ограничить и использовать их в скважинах больших глубин, где по техническим условиям бурение скважин большого диаметра затруднительно. Для сооружения наблюдательных скважин режимной сети необходимо шире применять сетки из пластмасс, стекловолокна и других синтетических материалов.
ГЛАВА II.
ГИДРАВЛИКА ФИЛЬТРОВ СКВАЖИН
Гидравлические параметры фильтров скважин играют решающую роль при определении оптимальных конструкций фильтров и их элементов. Сведения о сопротивлениях фильтров, их влиянии на фильтрационный приток к скважине позволяют судить о действительных параметрах водоносных пород, зональной неоднородности пластов, обоснованно подходить к проектированию скважин в зависимости от их назначения.
Гидравлические параметры фильтров скважин зависят от гидрогеологических условий, конструктивных особенностей скважин, специфики их эксплуатации или опробования. Так, при устройстве скважин в относительно устойчивых породах, установка фильтров в которых диктуется необходимостью предотвращения попадания в ствол крупных обломков породы, вполне приемлема оценка сопротивлений фильтров на основе использования аналитических решений задачи о притоке к скважине с водоприемной поверхностью, имеющей определенным образом расположенные отверстия.
При установке фильтров в рыхлых отложениях или устройстве их с гравийной обсыпкой существенными оказываются контактные потери напора в зоне фильтр — порода (гравийная обсыпка). Причем величины гидравлических потерь различны и зависят от того, откачивается ли из скважины вода (жидкость) или нагнетается в нее. Анализ особенностей работы фильтров в этих условиях требует специфического подхода, что, очевидно, не исключает формулирования общих требований к фильтрам, характеризующимся минимальными гидравлическими сопротивлениями.
§ 12. Общее сопротивление скважин
Различают скважины двух типов: совершенные и несовершенные. Под совершенной скважиной следует понимать такую, которая вскрывает водоносный горизонт на полную мощность и стенки ее не закреплены водоприемным устройством. Совершенные скважины можно сооружать только в устойчивых, не склонных к обрушению породах.
В водозаборных скважинах, оборудованных фильтрами, по В. Н. Щелкачеву, следует различать несовершенства:
по степени вскрытия горизонта, зависящее от отношения длины фильтра к мощности пласта;
по характеру вскрытия, зависящее от конструкций фильтров, устанавливаемых в пласте.
Для отбора воды из рыхлых обломочных пород, естественно, можно сооружать только несовершенные скважины, поскольку их стенки всегда требуют крепления на участках водоносных гори
75
зонтов. Несовершенство скважины любого типа приводит к уменьшению ее дебита по сравнению с дебитом совершенной скважины.
В расчетах принято схематизировать поток к скважине в соответствии с геометрическими особенностями пласта и конструкции скважины. При этом рекомендуется разделять общее фильтрационное сопротивление на частные, соответствующие различным зонам фильтрации, что позволяет значительно упростить задачу расчета скважин.
В зоне, наиболее удаленной от скважины, можно пренебречь влиянием конструкции водоприемной части на характер течения. В общем случае можно рассчитывать параметры скважины на воду с учетом дополнительных гидравлических потерь в прифиль-тровой зоне и на фильтре, суммируя (вычитая) некоторые дополнительные показатели безразмерного сопротивления с сопротивлением, обусловленным геометрическими характеристиками пласта и водозабора в целом и граничными условиями, или вводя в расчетные зависимости величину приведенного (фиктивного) радиуса вместо фактического радиуса скважины.
Дополнительное сопротивление t, в соответствии с принятой схемой потока может быть представлено в виде двух слагаемых:
(ПЛ)
где Si и 5г — сопротивления, обусловленные несовершенством соответственно по степени и характеру вскрытия пласта.
Величина приведенного (фиктивного) радиуса скважины оценивается по формуле
г0' = г0 ехр (—2л5), (П.2)
(г0 — действительный радиус скважины).
Для определения 51 используются решения М. Маскета, А. Л. Хейна, Н. Н. Веригина, которые исследовали задачу влияния неполноты вскрытия водоносного горизонта в условиях установившегося и неустановившегося движения. Графики для определения 5 позволяют оценить влияние несовершенства скважины по степени вскрытия пласта на приток к ней в зависимости от параметров 11т и т/гй (I — длина фильтра, т — полная мощность водоносного пласта).
.. Величина 5г, представляющая собой комплексную характеристику вскрытия пласта, зависит от конструкции фильтра, его гидравлических особенностей, изменений водопроницаемости пород вблизи скважины в процессе бурения и эксплуатации, цементации пород в прифильтровой зоне и зарастания отверстий фильтра (суффозия, кольматаж), турбулизации потока у скважины. Таким образом, величина 5z складывается из следующих составляющих:
= ^2ф4~ £гп + ^2н.л» (П. 3)
где 5гф, 5гп, 52н.л. — сопротивления, обусловленные соответственно фильтром, породой и отклонением от линейного закона фильтрации.
76
Каждое из перечисленных сопротивлений может быть найдено аналитически и экспериментально. В частном случае при сохранении линейного закона на всем пути фильтрации показатель обобщенного сопротивления £2 является суммой сопротивлений фильтра и прифильтровой зоны с измененной проницаемостью.
На основании оценки сопротивления прифильтровой зоны скважины можно предусмотреть рациональное устройство ее водоприемной части, оптимальный режим водоотбора, определить качество работ по бурению и прокачке скважины. Кроме того, наблюдения за изменением & во времени позволяют установить интенсивность развития процессов зарастания и запроектировать профилактические мероприятия по поддержанию первоначальных фильтрационных свойств пород прифильтровой зоны.
§ 13. Сопротивление фильтра £2<j> без учета контактных потерь напора
Гидравлическое сопротивление фильтра зависит от формы отверстий, их числа (скважности), размера, определяющего дисперсию потока, характера расположения по водоприемной поверхности скважины и их взаимодействия.
РИС. 31. Формы отверстий на фильтрах с одинарной и двойной водоприемными поверхностями:
а — круглые отверстия; б — вертикальные щели ограниченной высоты; в>—вертикальные щели по всей мощности вскрываемого пласта; г, д — горизонтальные щели; е — квадратные щелевые отверстия; ж — линзообразные отверстия; в — эллипсовидные отверстия
77
Исследованиями М. Н. Тихова установлено, что существует оптимальное число отверстий (оптимальная скважность). Увеличение числа отверстий способствует возрастанию суммарного дебита, однако темпы роста дебита и уменьшения сопротивления замедляются вследствие усиления взаимодействия отверстий (эффект интерференции). Поэтому общее увеличение суммарного дебита будет снижаться, и тем сильнее, чем больше будет введено в действие отверстий.
Рассмотрим решение некоторых гидродинамических задач о притоке к скважине, оборудованной фильтром, без учета наложения пород и снижения скважности фильтров, а также возможности химического зарастания фильтров. При этом сопротивление фильтров можно оценить только в условиях каптажа устойчивых пород, когда не сказывается эффект наложения водоносных пород на водоприемную часть скважин. В отдельных случаях величины сопротивлений фильтров будут занижены.
Поскольку геометрия фильтрационного потока вблизи скважины определяется формой входных отверстий, классифицировать фильтры для этих целей, очевидно, правильнее всего по этому признаку. Из большого разнообразия фильтров следует выделить фильтры-каркасы с одинарной поверхностью фильтрации и фильтра с дополнительной водоприемной поверхностью.
На рис. 31 приведены фильтры с одинарной и двойной поверхностями, используемые в настоящее время при сооружении водозаборных и водопонизительных скважин.
Фильтры с круглыми отверстиями
Аналитические решения притока жидкости к фильтру с круглыми отверстиями получены М. Маскетом и А. Л. Хейном. Круглые отверстия при решении задачи заменялись стоками, размещенными по образующим трубы-фильтра. Очевидно, что такая схема не обеспечивает физического подобия, поскольку при этом не учитывается непроницаемость стенок, однако предполагается, что этот недостаток компенсируется эффектом интерференции стоков. Решение М. Маскета детально исследовано В. И. Шуровым. В результате было установлено, что величина сопротивления фильтра практически не зависит от диаметра скважины (при изменении диаметра в пределах 168—325 мм). В. И. Шуровым составлены кривые ?2Ф=f(n) путем аппроксимирования аналитических решений М. Маскета однотипными эмпирическими уравнениями для отверстий трех диаметров: 6,4; 12,6 и 19 мм:
£2ф = щг6, (П.4)
где а и b — параметры кривых; п — число отверстий на 1 м длины фильтра.
Величина £гф в зависимости от числа отверстий пи их диаметра do для фильтра, установленного в однородном пласте, может
78
быть определена по формуле
г (49,39rf0-1.823 4-48,77)
®2Ф nO,OOeed(>4,6+1,0335
Формула (П.5) детально исследовалась В. И. Щуровым методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), в результате чего были построены уточненные графики (рис. 32) зависимости
?2ф от параметров a=d0/D и P=nD (и — число отверстий, D— диаметр фильтра). Рекомендации В. И. Шурова широко используются в расчетах, когда пласт вскрывается пулевой перфорацией.
А. Л. Хейном получены решения для определения притока к фильтру с круглыми отверстиями в условиях неустановившегося движения. В результате доказано, что эффект неустановившегося течения в прифильтровой зоне прослеживается в течение очень коротких промежутков времени (менее 100 с), поэтому в практических расчетах фильтров можно ограничиться рассмотрением стационарного режима фильтрации.
Фильтры со щелевыми отверстиями, расположенными в вертикальной плоскости
Фильтры со щелями, расположенными вертикально по образующей трубы, делятся на две группы: фильтры со щелями, длина
которых равна мощности пласта, и фильтры со щелями ограниченной длины. К первой группе относятся фильтры из стержней без проволочной обмотки. При определении величины сопротивления $2ф для этих фильтров различными методами были получены весьма близкие результаты. В. Т. Кордуэллом и С. К. Додсоном предложена формула
?2ф = 2/л In (2/лт]) при 1] 0,3
(П.5)
РИС. 32. Зависимость £2ф для фильтров с круглыми отверстиями от параметров (3=0,01 nD и а:
1 — а=0,03; 2 —а=0,04; 3 — а=0.05; 4 — а=0,06; 5 —а=0,07; Б — а=0,08; 7 — а=0,09
(П.6)
(п — число щелей; т] — скважность).
Эта формула проверена экспериментально методом ЭРДА, и получены удовлетворительные результаты.
79
Для отверстий того же типа В. П. Пилатовским получено следующее выражение безразмерного гидравлического сопротивления:
£2ф = (4/л) [In sin (яа)/2].
(П.7)
Угол а берется из рис. 33, где точка 0 — центр скважины (Г1/г0<а), окруженной п непроницаемыми порогами AiB2, А2В2, .... АПВ„. Пороги представляют собой равные дуги окружности радиусом г0 с центром 0; дуговые расстояния между порогами BiA2,
РИС. 34. Зависимость С2ф от скважности т] фильтра диаметром 168 мм со щелями по всей мощности пласта. Ширина щели (в мм):
/—10; 2 — 5; 3 — 3; 4—1; 5 — 0,5
РИС. 33. Расчетная схема к определению С2ф фильтров со щелями по всей мощности пласта
Аналогичный результат получен А. Л. Хейном при вычислении £2ф для фильтра с вертикально расположенными отверстиями без ограничения скважности.
Величину £2фДля стержневых каркасов и аналогичных им конструкций фильтров можно найти по графику, составленному по результатам расчета по формуле В. И. Пилатовского (рис. 34). Как видно из графика, сопротивление фильтров этой конструкции существенно уменьшается с увеличением суммарной площади отверстий.
Для определения сопротивления щелевого фильтра с прямоугольными щелями ограниченной длины, размещенными вертикально по образующей фильтра, А. Л. Хейном получено соответствующее решение, причем на поверхности дренирования им принималась некоторая средняя скорость движения жидкости, а на непроницаемых участках фильтра —градиент потенциала, равный нулю. Это решение очень громоздко и не доведено до расчетных зависимостей. Расчетами А. Л. Хейна установлено, что приближенно сопротивление фильтров с вертикальными щелями ограниченной длины можно найти по графикам В. И. Шурова (см. рис. 32) для
80
фильтров с круглыми отверстиями путем приведения прямоугольного отверстия к равновеликому круглому. При отношении длины щели I к ширине Ь, меньшем или равном 3, приведение предпочтительнее производить по площади, т. е. радиус приведенного отверстия
Го'пр = УЙМ- (П.8)
В случае же длинных и узких щелей (при Z/b>3) приведенный радиус можно определить приведением по периметру
г0'пр = М/2л. (П.9>
Фильтры со щелевыми отверстиями, расположенными в горизонтальной плоскости
Наиболее предпочтительной является конструкция фильтра со щелями, расположенными в горизонтальной плоскости. При такой конструкции меньше искажается поток в прифильтровой зоне скважины в результате сохранения осесимметричности линий тока. В практике сооружения водозаборных скважин в СССР и за рубежом широко применяются каркасно-стержневые фильтры с проволочной обмоткой, в которых щели расположены горизонтально. Согласно решению М. Н. Тихова, приближенно сопротивление фильтра с горизонтальными щелями можно найти по графикам (см. рис. 34), но полученная величина должна быть уменьшена на 20%. Близкие результаты получены А. Л. Хейном.
Анализ теоретических решений для определения сопротивления фильтров различных конструкций позволяет сделать следующие выводы.
1. С увеличением суммарной площади всех отверстий (скважности) фильтра дебит скважины повышается.
2. При сохранении постоянной скважности дебит увеличивается с уменьшением размера отверстий, однако темп увеличения дебита снижается при отверстиях малого размера вследствие возрастания эффекта интерференции.
3. Фильтры со щелевыми и дырчатыми отверстиями при одинаковой скважности имеют примерно равные сопротивления.
4. Интерференция при вертикальных небольших отверстиях всегда больше, чем при горизонтальных, находящихся на том же расстоянии по параллели, и поэтому суммарный расход через фильтры с горизонтальными отверстиями больше на 20—35%.
Таким образом, в аналитической теории притока жидкости к гидродинамически несовершенной скважине по характеру вскрытия пласта явление интерференции играет основную роль и теоретически объясняет специфику работы скважины, позволяя при этом сделать общие практические выводы о конструировании фильтров. В первую очередь следует рекомендовать фильтры-каркасы с горизонтальными щелями, у которых значительно меньше сопротивление и влияние интерференции. Скважность и размеры
6-7-643
81
отверстий фильтров не могут быть рекомендованы без выяснения специфики скелетообразования и без учета явлений кольматажа, неизбежных при любой конструкции фильтра. Эти параметры, а также потери напора на контакте фильтр — порода могут быть определены лишь в результате экспериментальных исследований на .лабораторных и натурных моделях.
§ 14. Сопротивление (проницаемость) фильтров нагнетательных (поглощающих) скважин
При устройстве фильтров с гравийной обсыпкой или их установке в рыхлых образованиях без обсыпки важно знать назначение скважин. При этом гидравлические особенности действия водозаборных и поглощающих скважин будут существенно отличаться вследствие разного влияния контакта фильтра-каркаса с гравием в зависимости от направления фильтрации воды.
Особенность работы фильтров нагнетательных (поглощающих) скважин заключается в том, что вода испытывает гидравлическое сопротивление на входе в фильтр и при движении через стенки фильтра. Это приводит к деформации линий токов при осесимметричной фильтрации, что видно при растекании индикаторов, запускаемых в скважину. Высокая степень деформации линий токов и изменение скорости потока подземных вод в зависимости от конструкции фильтра послужили основанием для постановки Д. Клотцем в ФРГ комплекса исследований.
В основу методики изучения гидравлики фильтров положены теоретические исследования Н. А. Огильви и С. А. Коля, согласно которым конструкция скважины и состояние ее призабойной зоны 'существенно влияют на скорость фильтрации, определенной методом разбавления с применением индикаторов. Впервые на это обратил внимание Н. А. Огильви, который установил, что искажающее влияние сопротивления фильтра на поток грунтовых вод может быть весьма существенным. Количественно степень нарушения фильтрационного потока оценивается коэффициентом а, входящим в формулу для расчета естественной скорости потока подземных вод:
VЯ(<-^2),п± Ф 2агл/ с0 •
(11.10)
где л — внутренний радиус фильтра; г0 — радиус детектора, с — концентрация индикатора во времени; с0 — концентрация индикатора в начале измерения при £=0; а — показатель, характеризующий степень нарушения фильтрационного потока поверхностью фильтра.
С. А. Колем было показано, что, когда скважина без фильтра каптирует однородный водоносный пласт, а—2. Если же в однородном водоносном пласте установлен фильтр с заданной проницаемостью kx без гравийной обсыпки и k2=k3 (k2— проницаемость гравийной обсыпки, k3 — проницаемость водоносного пласта), то,
«2
согласно решению Н. А. Огильви,
(П.11>
(г2 — наружный радиус фильтра).
Если же скважина имеет гравийную обсыпку с проницаемостью k2 в радиусе г3 (рис. 35), величина а в соотношении (11.10) выражается формулой
8
8
(П.12>
Сущность рассматриваемой методики заключается в определении величины а на основе радиоиндикаторных исследований и последующих расчетов проницаемости фильтра ki при известной проницаемости гравийной обсыпки и водоносных пород:
Д. Клотцем были проведены детальные исследования различных конструкций фильтров в специальном фильтрационном лотке.. В лотке вследствие разности напоров в верхнем и нижнем бьефе создавался поток грунтовых вод с заданной скоростью. Затем в; скважину запускали радиоактивный индикатор и фиксировали его разбавление во времени. Далее по формулам (11.13) и (И.14) рассчитывали величины водопроницаемости фильтров.
При исследовании каркасно-проволочных фильтров с горизонтальными щелями (фильтры фирмы «Джонсон») при скважности 0,037—0,465 коэффициент водопроницаемости изменялся от 0,93* до 38,6 см/с, для стальных фильтров с открытыми отверстиями при скважности 0,218—0,571 — от 1,69 до 8,12 см/с, для фильтров из. пластмасс с фрезерованными вертикальными щелями при скваж
6*
83
ности 0,016—0,054 — от 0,044 до 0,210 см/с, для фильтров с мосто-юбразнымй отверстиями при различных скважности и соотношении скважности на поверхности трубы и под «мостом» коэффициент водопроницаемости изменялся от 1,2 до 5,4 см/с, для сетчатых фильтров он не превышал 0,3—0,4 см/с, а для блочных фильтров на различных каркасах находился в пределах 0,3—5,1 см/с.
На рис. 36 приведены графики изменения коэффициента водопроницаемости фильтров различных конструкций в зависимости от скважности. Наиболее благоприятные гидравлические характеристики имеют фильтры каркасно-проволочного типа, проницае-
РИС. 35. Схема для расчета притока к скважине с фильтром и гравийной обсыпкой:
а — схема фильтра; б — схема фильтрационных течений
мость которых в несколько раз выше проницаемости щелевых фильтров, фильтров с мостообразными отверстиями и существенно выше проницаемости сетчатых и блочных фильтров. Гидравлические исследования показывают, что увеличение скважности играет большую роль, чем усложнение водоприемной поверхности отклонителем гравия, служащим для уменьшения контактных потерь напора.
В связи с тем что в упомянутых работах Д. Клотца была слабо освещена методика исследований и использование радиоактивной метки в опытах требует специальных мер по охране труда, Ю. И. Волковым были воспроизведены индикаторные исследования в лотке для оценки водопроницаемости фильтров и разработана их методика с использованием в качестве индикатора раствора соли.
Существует принципиальная возможность проведения как расчета, так и моделирования по двум схемам. Первая схема основывается на использовании формулы (11.13), которая применима в случае равенства проницаемостей пласта и прифильтровой зоны. Вторая схема предполагает неравенство коэффициентов фильтра-
54
дии пласта и прйфильтровой зоны, что может быть достигнуто устройством гравийной обсыпки. Расчет в таком случае ведется по формуле (II.14). Для оценки возможности реализации каждой схемы, а также оценки погрешности, обусловленной характером зависимости получаемого решения от входных данных, были проведены расчеты на ЭВМ Наири для фильтров нескольких типов при различных параметрах фильтров и пластов.
Результаты расчетов для каркасно-стержневых фильтров представлены на рис. 37. Анализ графиков показывает, что проведение
моделирования по первой схеме (рис. 37, а) эффективно для фильтров, характеризующихся низкими фильтрационными свойствами (&1<0,5см/ с). Возможности этой схемы расширяются при увеличении коэффициента фильтрации моделируемого пласта. В качестве критерия принимаем отношение t</fe=A. При ошибках вычисления а и ki, равных соответственно 5 и 20%, для фильтра с проницаемостью &i=6 см/с схема применима при А=3,4, что выполнимо для пласта, состоящего из частиц диаметром 10 мм. Осуществление на' практике таких опытов вызывает затруднения.
Моделирование по второй схеме (с гравийной обсыпкой) более предпочтительно, так как
РИС. 36. Зависимость проницаемости фильтров различных конструкций от скважности (по Д. Клотцу):
1 — каркасно-проволочные; 2 — с мостообразными отверстиями; 3 — щелевые с перфорированными отверстиями; 4 — сетчатые с сетками галунного плетения
появляется возможность не толь
ко расширения интервала исследуемых конструкций фильтров, но и более оперативного его изменения. Это достигается при постоянной проницаемости пласта увеличением коэффициента фильтрации обсыпки и ее радиуса (рис. 37,6). Комбинацией указанных величин в каждом конкретном случае можно подобрать оптимальный вариант схемы моделирования. Выделение интервала изменения а, в пределах которого погрешность вычисления ki не превышает заданной величины, возможно по формуле
(11.15)
где
8
А
1 - бд/6/г
1 бсх
ба—относительная ошибка; б/г— относительная ошибка ki.
85
Увеличение коэффициента фильтрации применяемой обсыпки в 7 раз при ее радиусе ПО мм (рис. 37) позволяет расширить диапазон исследуемых фильтров до значений fei = 5,2 см/с. Изменение радиуса гравийной обсыпки также увеличивает пределы возможного определения коэффициента проницаемости. Так, при k2 = =9,2 см/с и Гз=П см можно исследовать фильтры с fei=3 см/с, а при увеличении г3 до 50 см —с &i = 5,0 см/с.
РИС. 37. Зависимость проницаемости каркасно-стержневых фильтров диаметром ПО мм от показателя а, проницаемостей гравийной обсыпки k2 и водоносного пласта ks и радиуса обсыпки г8:
a~k,=9,2 см/с; Л»-0,106 см/с; 1 — rs-ll см; 2 — г3=20 см; 3 — г3=50 см; б — Аэ-0,106 см/с; г=11 см; 1 — kt=2,5 см/с; 2 — А2=9,2 см/с; 3 —й2=18 см/с
Таким образом, при определении гидравлических параметров фильтров на основе исследований с использованием индикаторов более перспективной представляется схема моделирования водоприемной части скважины с устройством гравийной обсыпки. Без гравийной обсыпки могут исследоваться слабопроницаемые фильтры. Использование для оценки погрешности формулы (11.15) позволяет выделить интервалы изменения для выбранных параметров модели, в которых коэффициент водопроницаемости можно вычислять в пределах заданной точности. Проведение таких расчетов способствует значительному уменьшению времени моделирования, хотя в общем случае для этого необходимо также априорное задание возможных пределов изменения коэффициента проницаемости исследуемого фильтра.
66
Указанные положения являются основой для оценки гидравлических параметров фильтров методом исследований с использованием индикаторов, легко осуществимых как на предприятиях, производящих фильтры, так и в лабораториях, занимающихся разработкой и гидравлическим обоснованием различных конструкций. В общем случае лабораторная установка или производственный стенд представляет собой фильтрационный лоток с устройствами для задания граничных условий и определения концентрации запускаемого индикатора (рис. 38).
РИС. 38. Установка для исследования фильтров:
1 — бак питания; 2 — устройство для задания граничных условий; 3 —< лоток; 4 — водоносный пласт; 5 — гравийная обсыпка; 6 — фильтр; 7 — измерительное устройство
Исследования методики опробования фильтров рассматриваемым способом производились в лотке при использовании крупнозернистого песка с размером частиц 0,5—1,5 мм и коэффициентом фильтрации 0,106 м/с. В центре лотка устанавливали исследуемый фильтр. Наружный диаметр его составлял 5—6 см, длина рабочей части 35—40 см. В зоне радиусом г3 = 11 см коаксиально фильтру устраивалась гравийная обсыпка. Диаметр зерен обсыпки в различных опытах составлял: 2—Змм (&2 = 2,5см/с), 5—6 мм: (&2 = =9,6 см/с), 7—10 мм (^2=16,5 см/с). Изменением граничных условий в лотке моделировался поток грунтовых вод с определенной скоростью фильтрации. После этого в водоприемную зону запускали индикатор. В качестве индикатора использовался хлористый натрий. Изменение концентрации индикатора фиксировалось по уменьшению электропроводности раствора с помощью резисти-виметра ПР-1, снабженного датчиком, конструкция которого была разработана в ходе опытов.
87
Обработка опытных данных заключалась в графоаналитическом расчете величины а по прямолинейному участку графика 1п(с0/с)—t и в оценке коэффициента водопроницаемости фильтра. Интерпретация результатов экспериментов показала, что опытные данные в указанных координатах не сразу аппроксимируются прямой линией. На графике обычно отмечается точка перегиба, причем на начальном участке изменение концентрации происходит с большей интенсивностью (рис. 39). Особенно четко такой уча-
РИС. 39. Зависимость концентрации индикатора в фильтрах от времени (по экспериментальным данным):
/ — трубофильтр из пористого бетона; 2 — каркасио-стержневой фильтр (иср==4-10-3 см/с); 5— проволочный фильтр (иср=4-10~3 см/с); 4 —• каркасно-стержневой фильтр (оср=Ь10-2 см/с)
сток выражен в опытах с обсыпкой из крупных зерен, уменьшение же диаметра зерен обсыпки заметно сокращает его величину во времёни.
С повышением скорости фильтрации перегиб на графике выражается менее резко, и выше определенной скорости фильтрации он становится практически незаметным в наблюдаемых интервалах времени (линия 4). Такой характер зависимости концентрации индикатора от времени, видимо, обусловлен тем, что в начале опыта наблюдаются усиленная конвекция и конвективная диффузия растворенного вещества за счет разницы плотностей и концентраций растворов в порах породы и внутри фильтра. Увеличение размера пор обсыпки создает благоприятные условия для конвекции и дисперсии, повышение же скорости фильтрации приводит к вуалированию физико-химических процессов конвективным переносом вещества, обусловленным общим градиентом потока.
Следовательно, при оценке водопроницаемости фильтров по начальному участку необходимо учитывать процессы диффузии и
«8
плотностной конвекции, в противном случае получаются завышенные значения. Поскольку зависимость (11.10) получена при пренебрежении диффузией индикатора из опытной скважины, во всех экспериментах, когда получали точку перегиба на графике 1п(с0/с)—t, для расчетов брали второй участок.
Рассмотрим характерные примеры оценки коэффициента водопроницаемости каркасно-стержневых, трубчатых с проволочной обмоткой, а также с водоприемной поверхностью из штампованных материалов, блочного типа и многослойных проволочных фильтров.
Модель каркасно-стержневого фильтра была изготовлена на основе восьми опорных стержней с обмоткой из проволоки диаметром 2 мм, величина скважности моделировалась зазором при намотке проволоки и достигала 33,3%. Коэффициент фильтрации каркасно-стержневых фильтров изменялся от 1,5 см/с при скважности 11% до 2,15 см/с при предельном ее значении.
Гидравлические исследования проволочных фильтров проводились на образцах, каркас которых представляет собой трубу диаметром 89 мм с нарезанными фрезой щелевыми отверстиями. На каркас навивается нержавеющая проволока диаметром 2 мм с зазором от 0,8 до 4 мм. Такая конструкция фильтра обусловливает зависимость гидравлических свойств от особенностей каркаса и водоприемной поверхности и приводит к несколько худшим гидравлическим характеристикам по сравнению с каркасно-стержневым фильтром. Коэффициент водопроницаемости проволочных фильтров на трубчатом каркасе при скважности 4,7 и 25% составляет соответственно 0,42 и 1,8 см/с.
Размер отверстий фильтра с водоприемной поверхностью из штампованного листа был близок по величине к зазору проволочной обмотки, а скважность изменялась от 2,3 до 17,5%. Соответствующие значения коэффициента водопроницаемости составили 0,23 и 0,52 см/с.
В сетчатых фильтрах водоприемная поверхность была выполнена из сеток галунного плетения № 48 и 7/70, а каркас фильтра изготовлен из трубы диаметром 89 мм. Коэффициент водопроницаемости сетчатых фильтров, по данным экспериментов, изменялся от 0,08 до 0,37 см/с при скважности соответственно 4 и 22,4%. Для сетчатого фильтра на стержневом каркасе было получено среднее значение £1=0,41 см/с при скважности 30,9%- Обобщенные данные о закономерностях изменения коэффициента водопроницаемости исследованных конструкций фильтров, наиболее распространенных в практике строительства скважин на воду, приведены на рис. 40.
Общие закономерности изменения водопроницаемости фильтров в связи *с ростом их скважности идентичны полученным Ц. Клотцем. Однако по абсолютной величине водопроницаемость фильтров близких типов, например каркасно-стержневых с проволочной обмоткой и фильтров фирмы «Джонсон», оказывается больше в 8—10 раз. В то же время для фильтров с относительно
89
высокими сопротивлениями (сетчатых) приведенные значения и полученные Д. Клотцем оказываются близкими (максимальный коэффициент водопроницаемости в исследованиях Д. Клотца не превышал 0,4 см/с). Это позволяет сделать вывод о том, что вероятное расхождение в полученных значениях коэффициента водопроницаемости фильтров с проволочной обмоткой связано с расчетом его по начальному участку кривой, характеризующей разбавление индикатора.
В равной степени трудно признать правомерными значения критических скоростей фильтрации, полученные Д. Клотцем, по-
скольку исходные зависимости для расчета « и к исключают возможность анализа проявления нелинейного режима фильтрации.
Сопоставление результатов опробования фильтров вновь предлагаемых конструкций с результатами проведенных исследований оказывается весьма показательным. В качестве примера рассмотрим результаты опытов, проведенных в
РИС. 40. Зависимость коэффициента водопроницаемости фильтров от скважности:
1 — каркасно-стержневые фильтры с проволочной обмоткой: 2 — трубчатые фильтры с проволочной обмоткой; 5 — фильтры с водоприемной поверхностью из штампованного листа; 4—сетчатые фильтры
лотке с многослойными проволоч-ными фильтрами, которые используются в Краснодарской комплексной геологической экспедиции, и с блочными фильтрами из пористого бетона с керамзитовым заполнителем. Конструктивно проволочный многослойный фильтр представляет
собой трубу диаметром 100 мм с круглыми отверстиями, на которую навито с зазором четыре слоя проволоки. Зазор между витками увеличивается к центру фильтра от 0,3 до 6 мм. Слои разделяются опорными стержнями. Диаметр стержней и проволоч-
ной обмотки 2 мм. В опытах с двумя образцами был получен средний коэффициент проницаемости этих фильтров, равный 0,14 см/с, что сравнимо с коэффициентом проницаемости сетчатого фильтра при скважности 4—5%.
Два трубофильтра из пористого бетона с керамзитовым заполнителем имели наружный диаметр 250 мм, внутренний 144 мм. Экспериментально по методике индикаторных исследований для первого образца был получен &i = 0,04 см/с, для второго &i = = 0,007 см/с. Опыты показывают отсутствие каких-либо преимуществ у предлагаемых конструкций по сравнению с выпускаемыми серийно и свидетельствуют о необходимости апробации конст-
рукций по единой методике для получения сравнимых результа'
'^Оценка коэффициента водопроницаемости фильтра в лабора-юрных..(стендовых) -условиях позволяет с наименьшими затрата-
ми труда и времени получить объективную гидравлическую ха-
/ ' ’ .
i е*.г V» ’
рактеристику фильтра,! а также наметить пути совершенствова-ния конструкции. ПрТНэтом устанавливается достаточно четкая зависимость коэффициента водопроницаемости от геометрических характеристик фильтра, что позволяет целенаправленно изменять . Л их в связи с необходимостью получения желаемого результата. ' — .Для фильтров с проволочной водоприемной поверхностью, когда v скважность каркаса велика (стержневые каркасы или опорная $ проволочная спираль), связь между проницаемостью фильтра и •его геометрическими параметрами выражается формулой
k^B^-, - (П.16) £
01 V—
а для фильтров с водоприемной поверхностью из штампованного листа
ь — В '‘Уи ___________!_____
1 ST <р (De) ’
(П.17)
где В — константа, определяемая вязкостью воды (при температуре 20°С В = 97,7-104 см-1); т] — скважность фильтра; ги —гидравлический радиус фильтра, см; S — показатель сопротивления щели; Т — показатель сопротивления фильтра; <p(De)—функция ют числа Деана, учитывающего потери напора в криволинейных трубах:
<IU8>
Здесь v — скорость движения воды в трубе, осредненная по ее сечению; т — коэффициент кинематической вязкости; — радиус кривизны трубы.
Принимают
. (1 для 0 De < 16,
го (De) = (
( 0,37De0’3® для 16 De < 1000. zic у'/-’ *
Зависимости (ILI6) и (11.17) были применены Д. Клотцем
(11.19)
при расчете фильтров-каркасов, где все исходные параметры (т), гИл S, Т) однозначно определяются их геометрическими характе-ристикамйДДля фильтров с дополнительной водоприемной поверхностно эти параметры могут быть определены отдельно для
каждой поверхности, однако, как показали экспериментальные исследования, такой подход некорректен, так как рассчитанные проницаемости фильтров по заданным размерам и показателю Т
не соответствуют экспериментальной аппроксимационной зависи-
мости.
Указанные противоречия удается устранить, приняв допущение, при котором фильтр рассматривается как единое целое при введении параметров, учитывающих геометрические характеристики каркаса и водоприемной поверхности. В качестве таких параметров использовались: скважность фильтра, равная произведе-
91
нию скважностей каркаса и водоприемной поверхности; суммарный показатель сопротивления, равный сумме показателей сопротивления каркаса и водоприемной поверхности; гидравлический радиус, оценивавшийся с учетом наложения водоприемной поверхности (обмотки, штампованного листа) на отверстия в каркасе фильтра. V, '
^Для проволочных фильтров гидравлический радиус
Гн = (62 4- d) + 2 (ha + d) (hi — 6Л) — 2htd ’ (П.20)
а для фильтров с водоприемной поверхностью из штампованного листа
н (62 Н- (б2 "г 63) 4* 2 (6t 61) (62 4* ба) 4-
L
+ 2 (64 4- 62) (62 4- 63) — 2636t
26д6д (62 4- 63)
62 4- 64
(11.21)
где hi—длина щели каркаса; Ь\—ширинащели каркаса, см; h2 — высота щели при проволочной обмотке или длина отверстия в штампованном листе, см; d — диаметр проволоки водоприемной поверхности, см; L=h\bib2(hi-\-b^) —для отверстия в форме трапеции, L=2hi&i62h2—для прямоугольного отверстия; Ь2 — высота отверстия штампованного листа, см; /г3 — длина верхнего основания штампованного листа, см; hi — высота перемычки на штампованном листе, см; Ьз — ширина перемычки на штампованном листе, jemT"? / ТАБЛИШЦЮ f
-"fJeBMtHMWfffTlЯиенения коэффициентов проницаемости фильтров
различных типов от скважности
Тип фильтра
Вид зависимости
Каркасно-стержневой
Проволочный на трубчатом каркасе
С водоприемной поверхностью из штампованного листа
Сетчатые фильтры с сетками галунного плетения
/?1 = 0,6 т]°»зе /?1 = 0,2 п0»68 /<•1 = 0,16 ч0’43
61 = 0,04 ч°’67
В формулах (11.16) и (П.17) неизвестен параметр Т при известном ki. Находим величину, которую затем представим графически как функцию от гк/г2 (гг —наружный радиус фильтра). Графики изменения Т приведены на рис. 41. Пользуясь этими графиками при известных геометрических размерах фильтра и его гидравлическом радиусе, можно рассчитать проницаемость фильтра.
Экспериментальные исследования с целью оценки коэффициента проницаемости при скважности 7—20,1% позволили получить
92
РИС. 41. Зависимости коэффициент» сопротивления фильтров различных типов от гидравлического радиуса: 1 — проволочные; 2 — с водоприемной поверхностью нз штампованного листа; 3 — каркасно-стержневые
следующие аппроксимационные зависимости вида fei=feoiia (табл. 36).
Для фильтров с дополнительной водоприемной поверхностью полученные значения ki не противоречат аппроксимационной зависимости, и, следовательно, сделанное допущение о введении обобщающих геометрических параметров для фильтров с двумя фильтрационными поверхностями правомерно.
Исследования позволяют сформулировать в целом конструктивные требования к фильтрам. Лучшие гидравлические характеристики по экспериментальным данным имеют фильтры с одной фильтрующей поверхностью (фильтры-каркасы). Коэффициент проницаемости для них в 1,5—5 раз превышает коэффициент проницаемости фильтров других типов при одинаковой величине скважности.
Большой интерес представляют фильтры, выпускаемые и применяемые при оборудовании скважин в зарубежной практике [14]. По конструктивному решению выпускаемые за рубежом фильтры делятся на две большие группы. К первой относятся фильтры, изготовленные из штампованных листовых материалов (фирмы «Нольд»), ко второй — фильтры на основе сварных каркасов из несущих стержней и водоприемной поверхности из профилированной проволоки (фирмы
«Джонсон» и «Кук»), Выпуск фильтров с дополнительной водоприемной поверхностью ограничен, что связано с принятыми условиями их эксплуатации: небольшим сроком службы или обеспечением повышенной прочности при установке в глубоких.скважинах.
Таким образом, главное требование к разработке рациональных конструкций фильтров заключается в использовании одной фильтрующей поверхности. Косвенное подтверждение этому — сравнительный анализ изменения проницаемости каркасно-стержневых и проволочных фильтров, для которых характерно наложение нескольких фильтрующих поверхностей (проволочная обмотка на трубчатом каркасе). Из рис. 40 видно, что проницаемости этих фильтров как в области небольшой скважности, так и при больших ее значениях отличаются незначительно. Объяснение
93.
этому может быть следующим. Для каркасно-стержневых фильтров в области небольшой скважности основным фактором, влияющим на формирование гидравлических сопротивлений, является зазор между витками обмотки, который здесь очень мал. Для проволочных фильтров общая скважность в этой области определяется также небольшим зазором в обмотке, а с учетом трубчатого каркаса, несмотря на большую его скважность, гидравлические свойства фильтра несколько ухудшаются.
Для проволочных фильтров необходимо увеличение скважности за счет проволочной обмотки и каркаса фильтра. Это означает существенное прибавление числа щелей и рост их размеров на трубчатом каркасе, что приближает его по конструкции к стержневому фильтру. Поэтому гидравлические свойства проволочных фильтров незначительно отличаются от каркасно-стержневых с такой же скважностью. Следовательно, применение трубчатых каркасов справедливо только в отношении увеличения прочностных характеристик фильтров, в остальном же они приводят к повышению гидравлических сопротивлений и потере материала, из которого они изготовляются, в частности труб. При оборудовании скважин фильтрами на трубчатом каркасе следует учитывать эти •положения, т. е. фильтры данной конструкции надо устанавливать только с обоснованным запасом прочности.
Скважность фильтров на трубчатом каркасе должна быть не меньше 10%, что вытекает из характера зависимости проницаемости от скважности и минимальной площади поперечного сечения контактирующей гравийной обсыпки. Очевидно, оба эти требования в некоторой степени взаимоисключающие, что позволяет выработать оптимальный вариант или пренебречь одним из них, что в общем должно быть обосновано.
Рассмотрение изменения коэффициентов проницаемости с ростом скважности для фильтров с водоприемной поверхностью из штампованного листа по сравнению с предыдущими показывает, что гидравлические свойства такой конструкции хуже. Это указывает на необходимость дополнительных исследований по определению рациональной области применения фильтров из штампованного листа. Экспериментальные исследования сетчатых фильтров позволяют заключить, что эти конструкции обладают повышенными гидравлическими сопротивлениями и в общем случае не могут быть рекомендованы для широкого использования в эксплуатационных скважинах.
Из отдельных испытаний проволочных многослойных фильтров следует, что конструкторские разработки, связанные с увеличением числа фильтрующих поверхностей, даже для фильтров, которые при минимальном их сочетании имеют сравнительно высокую проницаемость, приводят к неудовлетворительным результатам. Поэтому данное направление может быть перспективным только для создания фильтров, предназначенных для работы в особых условиях, например при водоотборе из тонкозернистых песков и неустойчивом режиме работы скважин. В этом случае могут потре
94
боваться фильтры, позволяющие несколько компенсировать возникающий гидравлический удар при пуске-остановке скважины.. Предпосылки для создания таких конструкций имеются при использовании проволочной многослойной обмотки.
Проведенный анализ свидетельствует о практической универсальности метода оценки коэффициента водопроницаемости фильтров самых разнообразных конструкций по разбавлению индикатора в скважине. Для широкой реализации этого метода в промышленном производстве и обоснования новых модификаций фильтров в ВИОГЕМе разработаны чертежи специального гидравлического стенда, который принят к применению на Дрогобычском экспериментально-механическом заводе по производству фильтров, а Межведомственная комиссия по приемке к производству новых конструкций фильтров это испытание утвердила в качестве нормативного.
§ 15. Сопротивление фильтров, находящихся в контакте с породой
Параметры фильтров существенно изменяются при наложении пород (естественных или гравийных обсыпок) на их водоприемную поверхность. Искажается форма отверстий вследствие полного или частичного их заклинивания, что влечет за собой уменьшение суммарной скважности фильтров. Оценить характер влияния контактных гидравлических потерь на суммарные потери напора при движении воды в фильтре можно на основе моделирования процесса в грунтовых лотках и натурных условиях.
Сопротивление гравийных фильтров с различными опорными каркасами
Исследования фильтров различной конструкции при контакте с породами и гравийными обсыпками были проведены во ВНИИВОД-ГЕО. В круглом фильтрационном лотке диаметром 700 мм определяли сопротивление £гфк. Исследования проводили с совершенными по степени вскрытия пласта скважинами (^ = 0). Линейность течения сохранялась и при максимальных расходах, т. е. ^2н.л = 0. В этом случае дополнительное безразмерное сопротивление очевидно, — сопротивление фильтра. Исследовали фильтры с перфорированными круглыми отверстиями, вертикальными щелями,, длина которых равна мощности пласта, щелями ограниченной длины и щелями, ориентированными в горизонтальной плоскости.
Гравийные фильтры моделировались с каркасом диаметром от 20 до 108 мм, размер гравия составлял 1—3; 3—5 и 5—7 мм. Опытные данные обрабатывали графоаналитическим методом. При изучении гидравлических характеристик фильтров с круглыми отверстиями величина скважности задавалась равной 1,6; 2,4; 4,8; 9,6 и 12,8%. Графики изменения сопротивлений фильтров с круглыми отверстиями приведены на рис. 42, а. Характер изменения безразмерного показателя гидравлического сопротивления
95
^2фк при моделировании оказывается близким к изменению его по данным В. И. Щурова.
Согласно теоретическим исследованиям (без учета контактных потерь напора), увеличение скважности свыше 10% не влияет на приращение удельного дебита или на снижение безразмерного показателя гидравлического сопротивления. Если же проанализировать интенсивность прироста удельного дебита скважины в различных грунтах, то оказывается, что при изменении скважности фильтра от 10 до 15% удельный дебит увеличивается на 8—10%. Аналогичные закономерности прослеживаются при варьировании скважности фильтров с вертикальными щелями и щелями ограниченной длины (рис. 42, б, в).
При изучении гидравлических сопротивлений фильтров с горизонтальными щелями моделировались каркасно-стержневые конструкции. Опыты начинались с максимальной скважности — 30%, а затем уменьшение скважности моделировалось последовательным отключением отверстий (их замазывали пластилином). Скважность была принята 30,5; 24,6; 19,2; 15,1; 11; 8,2 и 5,5%. Причем в фильтрах небольшой скважности сопротивление увеличивалось вследствие малой степени вскрытия пласта. Графики изменения сопротивлений этих конструкций фильтров приведены на рис. 42, г.
Сопоставление фильтров каркасно-проволочного типа с другими конструкциями показывает, что они позволяют получить максимальную скважность по сравнению со щелевыми и перфорированными трубами и большую интенсивность снижения сопротивления с увеличением числа отверстий. При одинаковой скважности щелевого и каркасно-проволочного фильтров сопротивление последних на 20% меньше (рис. 42,г). Эти экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими исследованиями А. Л. Хейна и М. И. Тихова.
Определим коэффициенты фильтрации с учетом контактных потерь, предполагая, что стенку фильтра можно представить в виде элемента пористой среды с толщиной, равной толщине стенки. Это позволяет сопоставить гидравлические характеристики аналогичных конструкций по исследованиям Д. Клотца и ВНИИВОД-ГЕО. Результаты расчетов коэффициента фильтрации некоторых фильтров с использованием полученных экспериментальным путем значений £2фк приведены в табл. 37.
Данные табл. 37 свидетельствуют о закономерном возрастании коэффициента водопроницаемости фильтра с увеличением скважности. Кроме того, становятся очевидными преимущества фильтров с горизонтальными щелевыми отверстиями (фильтры конструкции В. М. Гаврилко, фирм «Джонсон» и «Кук»). Сопоставление сопротивлений фильтров с учетом гидравлических потерь на контакте фильтр — порода (гравийная обсыпка) с результатами экспериментальных исследований Д. Клотца показывает, что коэффициент фильтрации, полученный с применением индикаторов, значительно больше. Так, при гравийной обсыпке с частицами
7—643
97
ТАБЛИЦА 37
Гидравлические характеристики фильтров с контактными потерями напора
Гравий с частицами размером 1—3 мм Гравий с частицами размером 3—5 мм Гравий с частицами размером 5—7 мм
скваж- ность Т], % ^2фк klt см/с скважность Т), % ^2фк см/с скважность ть % ^гфк ^1, см/с
Стержневые фильтры (ширина щели 2 мм)
3 27,0 0,0149 10 25,0 0,046 12,0 32,0 0,084
4 24,0 0,0168 12 22,5 0,051 14,0 30,0 0,050
5 22,0 0,0183 4 36,0 0,032 6.1 40,0 0,068
8 17,2 0,0233 6 31,5 0,037 8,0 37,5 0,072
10 15,0 0,0266 8 28,0 0,041 9,8 35,0 0,077
18 8,5 0,0462 14 20,5 0,056 16,0 28,0 0,096
24 6,5 0,0596 16 18,5 0,062 18.0 26,0 0,104
30 5,5 0,0699 18 17,0 0,067 20,0 24,0 0,112
20 16,0 0,072 24,0 21,0 0,128
22 14,5 0,076 26,0 19,0 0,141
24 14,0 0,081 28,0 18,0 0,149
28 12,0 0,094
Фильтры с вертикальными щелями ограниченной длины (ширина щели 2 мм)
5,2 60,0 0,0067 2,7 80 0,015 2,6 135,0 0,020
5,4 52,5 0,0077 3,0 68 0,017 3,0 121,5 0,022
5,5 50,0 0,0081 3,5 60 0,019 3,5 110,0 0,025
6,6 35,0 0,0115 4,0 54 0,021 4,0 99,5 0,027
10,0 19,8 0,0203 5,0 44 0,026 6,0 75,0 0,036
16,0 9,9 0,0398 6,0 37 0,031 7,0 67,0 0,041
26,0 5,0 0,0764 8,0 27 0,043 9,0 57,0 0,048
10,0 20 0,057 н,о 50,5 0,054
12,0 17 0,067 13,0 48,0 0,056
15,0 15 0,076 15,0 46,0 0,059
Каркасно-проволочные фильтры (ширина щели 2 мм)
2,7 55,0 0,0074 7,4 50,0 0,023
4,0 37,5 0,0108 8,0 40,0 0,029
8,0 19,5 0,0206 10,0 30,0 0,038
12,0 10,0 0,0395 12,0 24,0 0,048
14,0 7,0 0,0556 14,0 19,5 0,059
16,0 5,0 0,076 16,0 16,7 0,068
18,0 3,5 0,106 20,0 12,0 0,094
20,0 2,7 0,134 22,0 10,5 0,108
22,0 2,5 0,144 24,0 9,0 0,125
28,0 2,4 0,145 30,0 7,0 0,159
32,0 5,5 0,199
размером 1—3 мм при т] = 32% коэффициент фильтрации каркасно-проволочных фильтров равен 18,6 и 0,15 см/с соответственно без учета и с учетом контактных гидравлических потерь. При скважности этих же фильтров 3,7% коэффициенты фильтрации составляют соответственно 0,93 и 0,0108 см/с, т. е. контактные гидравлические потери в гравийных фильтрах приводят к снижению проницаемости в 100 раз и более.
98
То же наблюдается и при сопоставлении сопротивлений стальных фильтров с вертикальными фрезерованными щелями. При скважности щелевого фильтра 25,3%, по данным Д. Клотца, коэффициент фильтрации составляет 1,96 см/с, а при скважности 26% водопроницаемость такого же фильтра с учетом контактных потерь равна 0,0764 см/с. При относительно небольшой скважности (т] = 5,4%) эти величины составляют соответственно 0,21 и 0,0077 см/с.
Так как толщина стенки фильтра не превышает 10 мм, гидравлические потери в фильтрах, даже с учетом контактных потерь напора при использовании каркасов со скважностью более 20%, обычно не превышают нескольких сантиметров и могут не учитываться при расчетах. Очевидно, что необходимым условием при этом является применение фильтров-каркасов с высокой скважностью.
Сопротивление сетчатых фильтров
Гранулометрический состав водоносных пород в опытах с сетчатыми фильтрами был следующим: dSo = O,O62; 0,17; 0,25; 0,8; 1,2 мм
при максимальных коэффициентах неоднородности, равных 6—8.
Водоприемные поверхности выполнялись из сеток № 8/70, 12/90 и 18/130. Полученные значения ?2фК и k\ были положены в основу построения графиков £2фК для сеток трех типов.
На рис. 43 приведены графики зависимости £2фК от коэффициента фильтрации. Опытные данные аппроксимировались логарифмической зависимостью, параметры которой определялись методом наименьших квадратов. По предлагаемым графикам можно определить безразмерные сопротивления сетчатого фильтра на основе трубчатого каркаса со скважностью 12,4% и диаметром отверстий 8 мм при условии сохранения во всей области линейного закона фильтрации.
Область применения этих графиков расширена в результате
РИС. 43. Зависимость показателя сопротивления сетчатого фильтра от коэффициента фильтрации контактирующих пород. Номер сетки: 1 — 18/130; 2 — 12/90; 3—8/70
дополнительных исследований влияния скважности и размера круглых отверстий каркаса на сопротивление фильтра. Закономерность изменения £фК в зависимости от диаметра отверстий при одинаковой скважности т] = 12,4% была получена в двух сериях опытов с песками при коэффициенте фильтрации 15 и
99
25 м/сут. Исследовались модели фильтров с отверстиями диаметрами 4, 6, 8 и 12 мм, равномерно распределенными по поверхности фильтра. Полученная зависимость ^2фк=/(^о) в обоих случаях указывает на одинаковый темп изменения сопротивления с изменением диаметра отверстий (рис. 44, а).
Влияние скважности каркаса фильтра на величину ?2фК изучали на моделях с отверстиями диаметром 8 мм и скважностью 4,4; 8,25; 12,4 и 20%. Выравненные методом наименьших квадратов кривые зависимости ЬфК=/(п) приведены на рис. 44,6.
РИС. 44. Зависимость сопротивления сетчатого фильтра от диаметра отверстий каркаса при постоянной скважности- (а) н от скважности при постоянном диаметре отверстий (б):
1~ &ф=15 м/сут: 2—йф=25 м/сут: 3 — йф=150 м/сут
Поверочные опыты по определению сопротивлений сетчатых фильтров, проведенные в Краснодарской геологической экспедиции и Солнечногорской буровой партии, подтвердили справедливость лабораторных опытов. По результатам экспериментальных исследований фильтров с дополнительной сетчатой водоприемной поверхностью можно сделать следующие выводы.
1. Конструкция опорного каркаса сетчатого фильтра существенно влияет на суммарное сопротивление фильтра.
2. При увеличении скважности каркаса более 20%' сопротивление фильтра уменьшается незначительно.
З. -Для фильтров с каркасом из трубы с круглыми отверстиями возможно снижение сопротивления вследствие уменьшения размера отверстий при некоторой заданной скважности (т] = = 12,4%). Однако темп снижения сопротивления уменьшается при размере отверстий меньше 4 мм.
4. Применение плотной сетки галунного плетения № 18/130 обусловливает увеличение сопротивления фильтра на 30—50% по сравнению с сетками № 12/90 и 8/70, т. е. существенное значение имеет как тип сетки, так и конструкция каркаса.
Приведенные зависимости и графики для определения сопротивлений фильтров различных конструкций могут быть использованы для оценки потерь напора в фильтрах, расчета дебита сква-
inn
хин с учетом конструкции фильтра, определения параметров пластов по данным одиночных откачек, а также при создании конструкций с оптимальными гидравлическими характеристиками.
Коэффициент фильтрации сетчатых фильтров при разной скважности каркаса в песках с &=15 м/сут изменяется от 0,00048 до 0,00115 м/с, а в песках с £=150 м/сут — от 0,0033 до 0,0099 м/с. Отметим, что, по данным Д. Клотца, коэффициент фильтрации фильтров с сетками галунного плетения составляет 0,1—0,4 см/с, т. е. соотношение остается аналогичным соотношению проницае-мостей для гравийных фильтров.
Пример. Одиночная скважина, каптирующая напорный водоносный горизонт мощностью 20 м, имеет фильтр длиной 10 м, диаметром 100 мм с сеткой галунного плетения № 8/70 на каркасе из перфорированной трубы диаметром 100 мм с круглыми отверстиями диаметром 8 мм и скважностью 15%. Требуется определить дебит скважины при максимально допустимом понижении So =Ю м, если коэффициент фильтрации пласта составляет 5 м/сут.
Находим Z/m=0,5 (/ — длина фильтра; 'т — мощность пласта); т/гс=400. При этой длине фильтра £1=4,8. По графикам (см. рис. 43) для фильтра длиной 10 м и Сгфк=8,2 находим
„ 2mkmS0 . „
Q=-----р------------ = 148 м3/сут
1П 4" 4" Сгфк
С учетом несовершенства только по степени вскрытия пласта получаем проектный расход 240 м3/сут.
§16. Сопротивление фильтров блочного типа
Водопроницаемость фильтровых блоков характеризуется коэффициентом фильтрации k0, который определяется размером и формой частиц заполнителя, видом вяжущего и его дозировкой в смеси, степенью уплотнения смеси, технологией изготовления блоков (в большей степени это относится к клею БФ-4 и бакелиту).
Опытами Н. Д. Бессонова в радиальном лотке исследованы из-
ТАБЛИЦА 38
Расчетный коэффициент фильтрации блоков в зависимости от коэффициента фильтрации водоносных песков (в м/сут)
Коэффициент фильтрации
песка k начальный блоков /гОф расчетный ftH песка k начальный блоков £0ф расчетный йи
1,5 636 8,8 4,3 770 51,1
1,46 310 17,1 4,5 542 34,3
2,8 531,5 21,8 7,0 321,5 43,5
2,9 256 16,8 9,7 529,5 51,1
3,64 236,3 29,6 9,8 826 49,8
3,7 169 20,7 11,9 690 38,7
3,78 509 16,3
101
менения коэффициента фильтрации блоков в результате механического кольматажа.
Обработка опытных данных по испытанию фильтров блочного типа в условиях их контакта с песками различной водопроницаемости позволила найти следующую зависимость между kK, fe0 и k-. (k \ 0,56
тг) <IL22)
(&и— расчетный коэффициент фильтрации блока; k — коэффици-
РИС. 45. Кривые для определения расчетного коэффициента фильтрации фильтров блочного типа:
1 — *ф = 100; 2 —Лф=20О, 3 — йф=300; 4 - йф = 500; 5 -
*ф=800; 6 — Лф=1200
ент фильтрации).
На рис. 45 приведены кривые для определения коэффициента фильтрации фильтров блочного типа в зависимости от k0 и k, построенные по формуле (П.22). Этими кривыми можно пользоваться при оценке ku, не прибегая к расчету по формуле.
Как видно из рис. 45 и табл. 38, в зависимости от начального коэффициента фильтрации блоков /гзф величина kK в 5— 10 раз превышает коэффициент фильтрации песков, что способствует увеличению дебита скважин. Полученная таким образом возможность определения параметра kn позволяет вычислить фильтрационное сопротивление g2n, оказываемое движению воды фильтром блочного типа, и оценить его влияние на дебит скважины. Сопротивление каркаса учитывается по приведенным выше зависимостям применительно к условиям работы фильтров в контакте с гравийной обсыпкой.
Следует отметить, что зависимости и графики справедливы для условий капта-
жа однородных водоносных отложений, не содержащих глинистых частиц. Наличие тонкозернистых фракций в каптируемом водоносном пласте предопределяет более интенсивный механический коль-матаж блочных фильтров. Поэтому в рассматриваемых условиях применение фильтров блочного типа не рекомендуется.
§ 17. Комплексная оценка сопротивления фильтров
На основе комплексных исследований задачи о притоке воды через отверстия фильтра в скважину и задачи о движении воды внутри скважины И. Петерсеном, С. Ровером и М. Альбертсоном было получено, что потери напора в фильтре в зависимости от его конструкции определяются соотношением
Ah о ch [zL/D + 1] /тт 9о,
v2/2q ch [nL/D — 1]’ 1 '
где Д/i — потери напора; v — максимальная скорость движения 102
воды в фильтре; х— постоянная величина, определяемая конструктивными особенностями фильтра; L и D — длина и внутренний диаметр фильтра.
Решение выведенного уравнения детально исследовалось Д. Ф. Шульгиным и В. А. Васильевым с точки зрения конструирования фильтров, равномерно нагруженных по высоте и характеризующихся близкими по величине потерями напора в них. В расчетные формулы в качестве параметра, определяющего гидравлические сопротивления фильтров, входит показатель х=рт] (р — коэффициент расхода, т) — скважность фильтра). Величина его может быть, в частности, найдена по данным расходометрии скважины в однородном пласте с использованием формулы Э. А. Грикевича:
цБХ = v0 ch (566рт)//£>), (11.24)
где ивх — входная скорость воды в любом сечении I по высоте фильтра, м/с; п0 — входная скорость воды в начальном сечении фильтра при /=0, м/с; D — внутренний диаметр фильтра (скважины), см.
В лабораторных условиях параметр цц находят по следующей формуле:
„ D +1, л олс D2 VЬН' цц = "кйсг аге 0,246------------------
* ODD4 Q
(11.25)
Здесь АН'— разность пьезометрических уровней снаружи и внутри фильтра в конечном сечении, м; Q — количество воды, протекающей через фильтр.
Чем больше значения параметра цт], тем меньше абсолютная величина входного сопротивления фильтра.
ТАБЛИЦА 39
Коэффициент расхода фильтра с учетом наложения гравия
Тип фильтра Скважность, % Средний диаметр гравия £>so. мм
20 16 12 10 8 6 4 2 1,4
Штампованный 3,5 0,82 0,81 0,78 0,75 0,69 0,60 0,48 0,32 0,26
со щелями типа 7,2 0,64 0,62 0,57 0,53 0,48 0,40 0,30 — -—.
«мост» 11,2 0,56 0,52 0,46 0,41 0,36 0,30 — —г- —
14,6 0,53 0,48 0,42 0,37 0,32 0,27 — —. —
Проволочный 18,2 0,51 0,51 0,51 0,50 0,48 0,46 0,41 0,34 0,32
30,8 0,34 0,34 0,34 0,33 0,32 0,30 0,27 0,23 0,19
Щелевой с выступающими кромками 4.8 0,88 0,84 0,79 0*75 0,68 0,57 — — —
Дырчатый с сеткой на поверхности 14,8 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,67 0,62 0,48 0,40
103
Э. А. Грикевичем проанализированы результаты лабораторных исследований, проведенных VY. Петерсеном., NV. Альбертсоном и С. Ровером, и рассчитаны значения ц для некоторых конструкций фильтров заданной скважности. Величины ц этих конструкций в зависимости от размера частиц гравия, контактирующего с фильтром, приведены в табл. 39.
Наиболее благоприятными гидравлическими показателями характеризуется проволочный фильтр (в опытах использовались промышленные образцы фирмы «Джонсон»), причем величина g значительно снижается при уменьшении размера зерен гравийной обсыпки, что еще раз подтверждает определяющую роль контактных потерь напора в прифильтровой зоне скважины.
При турбулентном режиме решение задачи о притоке воды в фильтр скважины было получено М. М. Солимэном, которым также была доказана неравномерность нагрузки фильтров скважин, связанная с их конструктивными особенностями. Результаты этих исследований наиболее полно проанализированы в монографии Э. А. Грикевича.
§ 18. Сопротивление водоносных пород в прифильтровой зоне
Проницаемость пород в Прифильтровой зоне скважины может существенно уменьшаться в'процессе бурения вследствие уплотнения и глинизации пород или увеличиваться в результате создания гравийной обсыпки, суффозионного выноса мелких фракций из пород водоносного пласта, а также при ведении специальных работ по обработке прифильтровых зон (гидравлический разрыв, кислотная обработка и др.).
Составляющая обобщенного сопротивления зоны скважины £2п аналитически может быть выражена через проницаемость пород у фильтра скважины и радиус зоны с измененной проницаемостью га. В случае скачкообразного изменения проницаемости пород в пласте
(П.26) \ ки ) 'с
где kn — коэффициент фильтрации водоносного пласта; kn — коэффициент фильтрации пород у скважины в зоне радиусом ги; гс— радиус скважины.
Эта зависимость получена В. Н. Щелкачевым и позднее Н. Н. Гиринским и Хоукинсом. Как следует из выражения (11.26), ?2п->-0, если ku-+kn или если Гц-*го- Величина £2п будет положительной, если проницаемость kn в пласте больше проницаемости призабойной зоны, т. е. когда проницаемость призабойной зоны ухудшена. Такие условия часто создаются при бурении скважин с использованием глинистого раствора, при обрушении малопроницаемых пород в интервал установки фильтра, при зарастании прифильтровых зон скважин и т. д. Если kK>kn, т. е. проницаемость в при-
104
30
20
10
о
-10
4/7
о
РИС. 46. Зависимость С2п от n=kn/ka и
Ти/Гс
фильтровой зоне улучшена по сравнению с проницаемостью пласта, то будет отрицательной (имеется в виду создание гравийных обсыпок, применение методов повышения проницаемости прифильтровой зоны скважины). Графики рассматриваемой зависимости приведены на рис. 46.
Характерно, что увеличение дебита скважины при повышении проницаемости прифильтровой зоны по сравнению с первоначальной в радиусе 1 м — относительно небольшая величина: при &п/&и=0,1, величина QH/QH (где Qu — дебит скважины с измененной проницаемостью прифильтровой зоны в радиусе 1 м; Q„ — дебит скважины с постоянной проницаемостью прифильтровой зоны) увеличивается от 1 до 1,73. При ухудшении же проницаемости прифильтровой зоны в радиусе 1 м и knlk„=lQ отношение дебитов изменяется от 1 до 0,23, т. е. дебит скважины при том же снижении напора в пласте оказывается заниженным более чем в 4 раза.
Для линейного изменения скважины Д. Н. Кузьмичевым получено следующее выражение:
= (П.27)
проницаемости прифильтровой зоны
(R — радиус влияния скважины).
Величину q можно определить как отношение текущего дебита скважины Q к величине депрессии пластового напора (q = QlS0), а <7о— функция пластовой водопроводимости
__ 2лйпт
д°~ 1пЯ/гс •
Причем величину водопроводимости (knm) следует определять по данным восстановления уровня в центральной или наблюдательной скважине после прекращения откачки или по результатам откачек в условиях стационарного режима при наличии по меньшей мере двух наблюдательных скважин.
Изменение проницаемости по логарифмической зависимости
Рассматривая интенсивность зарастания фильтра, можно отметить, что оно в большей степени проявляется вблизи скважины. В этих условиях закономерно аппроксимировать изменение проницаемости
105
прифильтровой зоны при удалении от скважины логарифмической зависимостью
(П.29)
где kn — проницаемость пласта (постоянная во времени); /ги— проницаемость пласта на стенке скважины (изменяется во времени и зависит от свойств пласта, воды, режима водоотбора и других факторов); R— радиус влияния скважины; г — текущий радиус.
Постоянный расход
In R/rc ln/?n/fe„ ’ (11.30)
или
w-з»
где q0—начальный удельный расход скважины: ^=kBlkn, So — снижение напора в пласте; <?о(1—ф)/1п(1—<р) —текущий удельный расход скважины.
В безразмерных величинах
(11.32)
1 —Ф Q
1п 1/<р S(fl0 ’
РИС. 47. Зависимость коэффициента продуктивности а от коэффициента проницаемости <р в безразмерных величинах
где а — текущий безразмерный удельный дебит скважины, изменяющийся от единицы до некоторой минимальной величины.
Определяя безразмерный показатель а в различные периоды времени и сопоставляя его значения, можно проследить изменение величины <р во времени, а следовательно, и изменение проницаемости прифильтровой зоны в процессе эксплуатации. В идентичных гидрогеологических условиях при одинаковых конструкциях скважин и фильтров изменения п и должны быть весьма близкими. Величина а может быть получена расчетным путем на основе дан-
ных опробования скважины, а при известной а можно определить ku по графику (рис. 47).
§ 19. Сопротивления, вызываемые отклонениями от линейного режима фильтрации
Если фильтрация воды не следует полностью закону Дарси, требуется определять дополнительные сопротивления и разрабатывать рекомендации по оптимальному режиму водоотбора. Необходимо отметить, что при опробовании скважины при различных режимах водоотбора получают, как правило, обобщенную характеристику
106
сопротивления фильтра, зоны пород с измененной проницаемостью вблизи скважины, деформации пород в процессе откачки и отклонений от линейного режима фильтрации £гнл- Однако в первом приближении оценка составляющей £2нл возможна путем обработки индикаторных кривых.
Как известно, движение воды при отклонении от линейного закона Дарси следует общему закону фильтрации (Прони), который может быть записан в виде
‘“т+т”' (Ч-33)
где i — гидравлический градиент; v — скорость фильтрации; k — коэффициент фильтрации среды; х — показатель турбулентности, определяемый проницаемостью, пористостью и морфометрическими особенностями пористой среды (величина не превышает единицы).
Двучленному закону фильтрации (11.33) соответствуют следующие уравнения индикаторной кривой:
для скважины в напорном пласте
S0 = 4Q+BQ2; (11.34)
для скважины в безнапорном пласте
Н2— //C2 = 4'Q + B'Q2. (11.35)
Здесь So — понижение уровня в скважине; Q — дебит откачки; А, В, А', Вг — параметры, постоянные для данной водозаборной скважины; НепНс — соответственно статический и динамический напоры в скважине.
Постоянство рассматриваемых параметров предполагает отсутствие деформаций в структуре, а следовательно, и изменений проницаемости пористой среды и свойств жидкости. Если же имеется деформация пород в прифильтровой зоне в процессе откачки (кольматацпя, суффозия), то форма индикаторных кривых будет отражать не только турбулизацию потока, но и указанные деформации. Очевидно, параметры вновь сформировавшейся прифильтровой зоны можно определять впоследствии по данным опытных откачек при небольшом понижении уровня.
Для обработки индикаторных кривых откачки уравнение (11.34) представляют в виде
S0/Q = .4+BQ. (11.36)
Величина параметра В выражается тангенсом угла наклона прямой S0/Q=/(Q) к оси абсцисс.
С целью установления оптимального режима водоотбора для данной конструкции фильтра, при которой могут быть обеспечены минимальные гидравлические потери, предпочтительнее £2нл определять по результатам опытных и эксплуатационных откачек в условиях данного водозабора или объекта водопонизительных работ. Важно отметить, что лучшие условия для сохранения линейного режима фильтрации имеются в гравийных фильтрах с мощными
107
контурами обсыпки. В настоящее время каждая составляющая обобщенного сопротивления £2ф, ?2п, ?2нл может быть найдена аналитически и экспериментально.
§ 20. Полевые исследования гидравлических сопротивлений опытных и эксплуатационных скважин
Гидравлические потери в прифильтровых зонах и в фильтрах скважин предопределяют в большинстве случаев достоверность параметров водоносных пластов при опытно-фильтрационных исследованиях, а также эффективность действия водозаборов подземных вод и вертикальных дренажей. Вскрытие водоносных пластов при бурении роторным способом с промывкой глинистым раствором и последующей разглинизацией скважины различными методами, несмотря на высокие скорости проходки, не всегда удовлетворяет требованиям гидрогеологической службы как при опытнофильтрационных работах, так и при сооружении эксплуатационных скважин на воду.
При несовершенных методах бурения и освоения скважин доля дополнительных потерь напора на каркасе фильтра настолько мала, даже при использовании трубчатых каркасов с сетчатой водоприемной поверхностью, что довольно часто допускалось использование фильтров малой скважности с плотными сетками и фильтров блочного типа. Главным аргументом при этом были данные о близких удельных дебитах скважин, оборудованных различными фильтрами.
Внедрение ударного способа и роторного способа с прямой и обратной промывками чистой водой при вскрытии водоносных пластов, установка фильтров гидрбподмывом, разработка эффективных методов освоения скважин предъявляют повышенные требования к подбору каркаса фильтра, состава гравийной обсыпки.
Детальные исследования, обосновывающие справедливость этих положений, были проведены ВНИИВОДГЕО на участках вертикальных дренажей Горьковской ГЭС. Здесь опытными скважинами каптированы аллювиальные пески мощностью 18—20 м в пределах выдержанного в разрезе слоя среднезернистых песков. Все опытные скважины пробурены ударным способом; конечный диаметр их 305 мм, расположены они на расстоянии 25 м друг от друга и оборудованы фильтрами равной длины (4 м). Опытные скважины, самоизливающиеся, опробованы при режиме самоизли-ва и опытных откачках. Данные об удельных дебитах и сопротивлениях скважин приведены в табл. 40.
Максимальные удельные дебиты и минимальные сопротивления имеют гравийные фильтры со стержневыми каркасами и проволочной обмоткой, а также фильтры из сборных кольцевых элементов конструкции МГМИ. Промежуточными характеристиками обладают фильтры из штампованных материалов с гравийной обсыпкой, а также фильтры со щелевыми и круглыми отверстиями и гравийной обсыпкой. Значительно выше сопротивления и меньше удель-
108
ТАБЛИЦА 40
Удельные дебиты скважин и сопротивления фильтров иа различных опытных участках в начальный период работы скважин
Номер скважины Конструкция фильтра Удельный дебит, л/(с-м) Сопротивление £2 Примечание
2 I опытный участок Гравийный с водоприемной по- 3,23 0,73
11 верхностью из штампованного 3,2 0,73
3 листа со щелями в вертикальной плоскости Гравийный кожуховый с ко- 3,41 0,44
7 жухом из штампованного лис- 3,66 0,44
4 та Гравитационный конструкции 4,30 0,31
5 МГМИ со щелями в горизон- 4,35 0,35
6 тальной плоскости с гравийной обсыпкой Гравийный каркасно-стержне- 4,5 0,16
10 вой со щелями в горизонталь- 3,6 0,29
1 ной плоскости Блочный на клее БФ-4 из гра- 2,65 1,02
12 вия диаметром 2—3 мм на трубчатом каркасе Блочный на клее БФ-4 из гра- 1,9 5,75
8 вия диаметром 1—2 мм на стержневом каркасе Керамический на стержневом 1,84 2,76
16 каркасе // опытный участок Гравийный с опорным карка- 2,36 2,72 2,36 Скважины соору-
26 сом из полиэтиленовых труб и винипластовой сеткой Гравийный с опорным карка- 2,4 — жены без затрубных пьезометров
36 сом из стеклопластиковых труб и винипластовой сеткой Гравийный со щелевым карка- 2,68 ——
46 сом из литого капрона Гравийный каркасно-стержне- 2,22 —
56 вой с проволочной обмоткой Гравийный каркасно-стержне- 3,41 —
1щ вой с проволочной обмоткой III опытный участок Мягкопоролоновый 2,65 1,56 Величина сопро-
2щ » 3,62 0,41 тивления взята по
Зщ Жесткопоролоновый 1,95 4,77 данным опытной
4щ » 0,83 16,5 откачки на, первой
9щ » 1,75 5,39 ступени пониже-
5щ Керамический бескаркасный 2,61 1,05 ния уровня (ми-
8щ диаметром 168 мм Керамический бескаркасный 2,35 5,25 нимальная величина сопротивления)
7щ диаметром 230 мм Тарельчатый 1,75 1,39
6щ Пористо-бетонный диаметром 1,17 6,1
160 мм
109
ТАБЛИЦА 41
но
Сопротивления гидрогеологических скважин при различных способах бурения и освоения
Участок работ Водоносный горизонт Способ бурения и освоения скважии Фильтр Средний удельный дебит иа Г м понижения уровня, л/(с-м) Данные о сопротивлениях скважин
Геологическая характеристика Режим Коэффициент фильтрации или коэффициент водопроницаемости Тип Диаметр, мм п (число определений) ^2ф ^зф ср <У V
Вертикаль- Аллювиаль- Безнапор- 6=354-40 м/сут Ударный, прокачка эрлифтом Ударный, прокачка эрлифтом Гравийный с 168 3,5 II 0,43 — 0.4
ный дренаж Горьковской ГЭС ные пески пойменной террасы Волги порный трубчатым и стержневым каркасом, с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки и штампованного листа Блочного типа из пористой керамики, на клее БФ, из пористого бетона Гравийный каркасно-стержневой с проволочной обмоткой 240 1,93 11 4,75 88,3 0,42
87,8
Вертикальные дренажи (г. Ка-менка-Днеп-ровская) и орошаемого массива (Каменский под) Пески четвертичного возраста С локальным напором 6=204-30 м/сут, 6m=4004-4-600 м2/сут Роторный с обратной промывкой (без замены естественного раствора), прокачка эрлифтом 168 4,6 13 0,59 — 1.204
75,6
То же Вертикальный дренаж (г. Камен-ка-Днепров-ская) То же То же k — 20—30 Роторный с об- То же 168 5,8 13 —0,19 — 0,128
м/сут, km=4004-4-600 м2/сут k = 204-30 м/сут, 6т=4004- 4-600 м2/сут ратной промывкой чистой водой с заменой промывочной жидкости Роторный с обратной промывкой чистой водой Ударный Роторный с промывкой глинистым раствором. Разглн-низация затрубной промывкой Ударно-канатный Гравийный, каркасно-стержневой То же » 168 5,8 23 —0,46 67,37 0,4
168 168 4,2 1,8 8 14 —0,64 4,8 —0,74 —0,48 86,95 0,43
Водозабор «Балтэзерс» (г. Рига) Пески — отложения Балтийского моря Безнапорный k-30—50 Пористо-керамический на трубчатом кар-касе (после 3—' 7 лет работы) Гравийный с чугунным щелевым каркасом (после 20—30 лет работы) Гравийно-клеевой (после 7— 10 лет работы) Фильтры ФКО (опытные скважины) 170 1,97 35 17,07 68,0 7,37
м/сут 168 3,84 9 6 43,18 2,49
170 2,52 8 10,65 40,03 9,1
Щемиловский полигон ВСЕ- ГИНГЕО Пески четвертичного возраста, . мелко- и среднезернистые « 6=84-10 м/сут Роторный с промывкой глинистым раствором 168 — 5 20,6 — 85,52
Примечание, о — среднее квадратическое отклонение обобщенного сопротивления;
v — коэффициент вариации.
ные дебиты скважин, оборудованных фильтрами блочного типа и фильтрами опытных конструкций, рекомендованных при опытнофильтрационных работах.
Идентичность условий бурения и освоения скважин на Горьковском стационаре, а также практическая неизменность фильтрационных свойств водоносных пород на этом участке позволяют считать приведенные данные вполне представительными. Кроме того, они хорошо согласуются с результатами лабораторных гидравлических исследований различными методами.
Сопоставим данные указанных опытных работ с результатами массового обследования водозаборных и дренажных .скважин в различных гидрогеологических условиях, а также с результатами экспериментов на Каменском вертикальном дренаже. В расчет сопротивления скважин и фильтров брали только показания затрубных пьезометров и наблюдательных скважин при установившемся водоотборе. Краткая гидрогеологическая характеристика водоносных пород, удельные дебиты и сопротивления скважин, а также результаты их статистической обработки сведены в табл. 41.
Удовлетворительные обобщенные характеристики фильтров и прифильтровых зон скважин наблюдаются только при ударном и роторном бурении с обратной промывкой чистой водой. Сопротивления гравийных фильтров в этих условиях весьма устойчивы, близки к нулевым, а на ряде участков являются отрицательными, что свидетельствует об улучшении фильтрационных характеристик скважин по сравнению с пластовыми. Можно утверждать, что применение гравийных фильтров с каркасом из штампованных материалов, со стержневым каркасом с проволочной обмоткой или из сборных кольцевых элементов позволяет получить устойчивые значения показателя гидравлического сопротивления скважин в пределах от 0,5 до —0,5, что существенно упрощает обработку данных опытно-фильтрационных исследований и обеспечивает близкие к оптимальным условия эксплуатации водозаборов и вертикальных дренажей.
Анализ материалов опробования более чем 200 скважин в различных гидрогеологических условиях в начальный момент после их сооружения и в процессе эксплуатации показывает, что сопротивление скважин существенно увеличивается во времени в связи с кольматажем, проявляющимся с разной степенью интенсивности при оборудовании скважин фильтрами разнообразных конструкций. Качественный и количественный прогнозы этих процессов — специальная задача, определяющая конструирование фильтров водозаборных скважин.
§ 21. Методы определения параметров фильтров и скважин
Наряду с рассмотрением традиционных гидрогеологических способов исследований большое значение приобретают экспресс-методы оценки состояния призабойных зон скважин и возможности его
112
улучшения. Исследования фильтров скважин с применением подводного фотографирования и телевидения, как правило, не могут дать однозначного ответа о степени закольматированности фильтров, а тем более прифильтровых зон скважин._Визуальные способы-обследования внутренней поверхности фильтров оказываются эффективными при выявлении устойчивости антикоррозионных покрытий, а регулярное фотографирование или телевизионный осмотр позволяют установить интенсивность отложения кольматанта на фильтре. Однако такое исследование может лишь послужить основой для постановки гидродинамических опытных работ по оценке гидравлического сопротивления скважин и его изменения в процессе эксплуатации.
Показатели гидравлического сопротивления скважины — это обобщенное сопротивление фильтра и прифильтровой зоны скважины, приведенный диаметр или коэффициент фильтрации зоны прилегающих к фильтру пород. Они характеризуют дополнительные гидравлические сопротивления призабойной зоны и эквивалентны друг другу. Однако при сравнении эффективности работ по бурению скважин и оборудованию их фильтрами в различных гидрогеологических условиях более предпочтительно применение универсального показателя обобщенного гидравлического сопротивления (показателя скин-эффекта).
Оценка показателя обобщенного сопротивления скважин по понижению уровня в затрубном пьезометре
Наиболее надежные значения показателя обобщенного сопротивления фильтра и прифильтровой зоны скважины могут быть получены при наличии наблюдательной скважины (затрубного пьезометра), расположенной на расстоянии 0,5—1 м от возмущающей. При этом можно учесть потери напора, обусловленные наличием фильтра и связанные с изменением проницаемости водоносных пород в процессе бурения и эксплуатации скважин.
Приближенная (заниженная) величина показателя обобщенного сопротивления может быть получена с использованием пьезометров, устанавливаемых одновременно с фильтром эксплуатационной скважины. Во всех случаях предпочтительнее затрубный пьезометр устанавливать на максимально возможном удалении от стенок фильтра, например привязывая к направляющим фонарям. Очевидно, что в данном случае можно получить лишь величину ?2<ь которая также будет меньше обобщенного сопротивления прифильтровой зоны. При сооружении опытных скважин, служащих для оценки эффективности конструкции фильтра или способа бурения, необходимо иметь затрубный пьезометр, который устанавливают на направляющих фонарях, и наблюдательную скважину на расстоянии не более 1 м от наружной стенки фильтра возмущающей скважины.
Поскольку вблизи скважины поток радиальный, то справедлива формула Дюпюи. Коэффициент фильтрации пород в прпфильт-
8-643
113
ровой зоне скважины может быть рассчитан по имеющимся данным о расходе и уровнях в пьезометре и скважине:
, Qlnrn/rc
п 2nm(S0 — Sn) •
(11.37)
где Q — дебит скважины; гп — расстояние от оси скважины до пьезометра; гс — внутренний радиус фильтра; т — мощность пласта; So — понижение уровня в скважине; Sn — понижение уровня в пьезометре.
При известном коэффициенте фильтрации пород в прифильтровой зоне скважины может быть рассчитан показатель обобщенного сопротивления фильтра и прифильтровой зоны, если предположить, что проницаемость постоянна во всем рассматриваемом участке скважина — пьезометр:
----1 Vn— (П.38)
\ J ГС
(k — коэффициент фильтрации пласта).
Аналогично могут быть рассчитаны коэффициент фильтрации и показатель обобщенного сопротивления прифильтровой зоны скважины на участке затрубный пьезометр — наблюдательная скважина.
Если опытная или эксплуатационная скважина несовершенна по степени вскрытия пласта, величину £2 следует вычислять с учетом этого несовершенства для центральной скважины и пьезометра (наблюдательной скважины) по формуле
Г = 2,73fem(S0-Sn)---Flg _|_0,435(£/ — ?/')], (11.39)
“ ч L rc j
где и £/'— показатели сопротивлений, обусловленные несовершенством по степени вскрытия пласта для скважины и пьезометра.
Пример. Скв. 44 водоразбора «Балтэзерс» (Рига) оборудована пористокерамическим фильтром на трубчатом перфорированном каркасе внутренним диаметром 0,16 м. На расстоянии 0,225 м от оси скважины установлен затрубный пьезометр. Из скважины проведена откачка до стабилизации уровней в ней и пьезометре, и при Q=8,25 л/с получена разность напоров (So—Sn) = l,45 м.
При длине фильтра скважины 16,3 м и расположении его в середине пласта мощностью 28 м получены значения g'i=2,8 и £"1=2,2. По формуле (11.38) вычислено значение проницаемости на участке скважина—пьезометр Ап=4,9 м/сут, по формуле (11.39)—£2=5,4, г. е. в рассматриваемом случае основные гидравлические потери приходятся на прифильтровую зону скважины.
Оценка обобщенного сопротивления скважин по опытным и эксплуатационным откачкам
Для обоснованной оценки величины £2 необходимо проводить откачки при наличии не менее двух наблюдательных скважин. Аналитически по наблюдательным скважинам, для которых £=0,
114
, можно рассчитать
km = '2л(£г—Si+1)
и затем
£ = 2nto<s0-sf) _(ЛГ°_N_y
i
v
I
i
При кустовых откачках и большом числе наблюдательных скважин для полного учета всех опытных данных и вывода средних значений km и £ целесообразно использовать графоаналитический
прием расчета. Для этого разности величин сопротивлений по всем парам скважин АЛ%,/ —No— Nr, ANOiW = =N0—Ni+1; ANi,i+1=Ni—Ni+i и т. д. откладывают по оси абсцисс, а разности понижений уровня AS0, i=So— Si; ASo, i+i=So—Sj-t-i» ASt,i+i=Si—-•Si+i — по оси ординат. При таком построении (рис. 48) в соответствии с уравнением (11.40) опытные точки должны размещаться на прямых ли-
ниях, одна из которых, построенная только по данным наблюдательных скважин с уклоном р, исходит из начала координат, а вторая, построенная с использованием данных по парам скважин (центральная — наблюда-
тельная с уклоном В), отсекает начальную ординату А.
По указанным параметрам определяют
km — Qj2nB\ = А/В.
(11.40)
(11.41)
РИС. 48. Графики зависимости разности понижений уровней от гидравлических сопротивлений:
1, 2 — для центральных и наблюдательных скважин; 3, 4 — для наблюдательных скважин
(11.42)
Величина £2 рассчитана по одному, из водозаборов в долине р. Дон. Абсолютные значения £2 в некоторых случаях достигают 5—8 и более. Соответствующие этим величинам дополнительные понижения уровня составляют 35—69% общего понижения в скважине. Подобная обработка данных опытных откачек выполнена еще по ряду объектов, причем во всех случаях дополнительные сопротивления оказались настолько значительными, что их нельзя не учитывать при прогнозах дебита водозаборных скважин.
При определении обобщенного сопротивления фильтра и прифильтровой зоны скважины, находящейся во взаимодействии с другими скважинами, можно использовать имеющиеся решения для соответствующих граничных условий на контуре пласта и водозабора. Так, для скважин Горьковского стационара эти расчеты были сделаны по формуле, характеризующей цриток к линейному
8*
115
ряду скважин, расположенному вблизи реки:
(11.43)
Здесь Н'л — отметка кривой депрессии в точке между скважинами, где скорость фильтрации о = 0 (Нгл определялась по данным измерений в процессе работы скважин при самоизливе); Нс — уровень воды в скважине; Qc — дебит скважины; km — водопроводимость пласта;
fk = 0,3661g
а
ndap •
(11.44)
где а — расстояние между скважинами; dnp — приведенный диаметр опытной скважины.
При известных параметрах уравнения (11.43) можно определить fK, а затем вычислить величину приведенного диаметра скважины ло выражению (11.44).
Величина 1,2 рассчитывается по формуле
&=lgdc— lgdnp
(11.45)
(dc— диаметр скважины).
В безнапорном пласте разность понижения уровней в скважине и пьезометре включает .величину разрыва уровня («скачка») Д/г, обусловленную деформациями линий тока в связи с нелинейным характером свободной поверхности подземных вод. Величину Д/г необходимо вычесть из разности понижения уровней, определив ее по формуле В. М. Шестакова:
Г / 1/77" \
Д/г = 0,731g--------0,51 Н-Дйс2 —hc, (11.46)
L\ rc / J
Q=Q/kn
'(hc — высота уровня воды в скважине).
Оценка обобщенного сопротивления скважин по восстановлению (понижению) уровня
Разновидность рассмотренного метода — определение безразмерного показателя обобщенного сопротивления прифильтровой зоны (показателя скин-эффекта) путем анализа кривых снижения-восстановления уровня.
Теоретическая основа использования данных опробования скважин при неустановившемся режиме — решение задачи о фильтрации в пласте с кольцевой неоднородностью. Причем внутренняя зона, в центре которой располагается скважина, имеет диаметр 2R, а внешняя, граничащая с ней, простирается на значительное расстояние (теоретически до бесконечности). Эта задача впервые исследовалась В. Н. Щелкачевым.
116
Приближенное решение В. Н. Щелкачева представляется в виде Г __________________ ——fl
-g In 1’5Xg^ 4-In (-ЦВ (11.47)
при rc < г < R;
S2 = 6 g- , In -^ t^ (11.48)
2 2л (km)2 г ' '
при R Г оо.
Здесь Si и S2 — понижение уровней в зонах 1 (внутренней) и 2 (внешней) при постоянном дебите скважины Q; (km)\ и (km) 2 — водопроводимости этих зон; а2 — коэффициент пьезопроводности внешней зоны; t — время с начала откачки; г — радиус-вектор точек, в которых определяется понижение уровня.
Формулы (П.47) и (11.48) применимы при длительной откачке. По ним можно определять водопроводимость внешней зоны пласта (km) 2, а при наличии одной наблюдательной скважины — и водопроводимость внутренней зоны (km)i. При известной величине (km)i можно оценить сопротивление прифильтровой зоны скважины.
Более строгое решение этой задачи получено Г. И. Баренбла-том и В. А. Максимовым. Ими установлено, что при больших Rl^at (т. е. при больших радиусах призабойной зоны или малых t) функция напора выражается соотношением
//(/)= -т--^ X In/— „ g :-1п—(11.49) ' ’ 4л (fem)2 2л (km)1 2 /of '
(In у =0,9771).
Следует заметить, что в рассмотренных Г. И. Баренблатом и В. А. Максимовым численных примерах зависимость (11.49) оказывается справедливой для очень коротких промежутков времени и выходит на асимптоту, соответствующую параметрам внешней зоны через очень малые значения /. Это свидетельствует о больших технических трудностях как снятия, так и обработки начальных графиков прослеживания уровня в возмущающей скважине. Расчеты показывают, что при наличии призабойной зоны радиусом 2 м с проницаемостью в 4 раза меньшей проницаемости всего пласта, начиная с /=100 с, кривая S—f(In/) представляет собой асимптоту, наклон которой соответствует проницаемости внешней зоны.
Очевидно, что даже в таких неблагоприятных условиях получить кривую прослеживания, характеризующую прифильтровую зону, очень трудно. Но этот метод может быть использован при анализе данных опробования пласта с незначительными коэффициентами фильтрации водоносных пород и ухудшенной проницаемостью прифильтровой зоны. Если результаты обработки дают кривую S=f(ln/), обращенную вогнутостью вниз, можно утверж
117
дать, что вокруг скважины имеется существенная по величине или по степени загрязненности прифильтровая зона. Определение приведенного радиуса скважины позволяет рассчитать проницаемость прифильтровой зоны в некотором заданном радиусе.
Таким образом, анализ графиков понижения-восстановления уровня, обычно проводимый при оценке параметров водоносных пластов (определение коэффициентов водопроводимости и пьезопроводности), также может быть использован для определения показателя обобщенного сопротивления прифильтровой зоны по отрезку, отсекаемому на оси ординат. Очевидно, что g2 можно определять либо при известном коэффициенте пьезопроводности, либо при наличии графика прослеживания хотя бы по одной наблюдательной скважине. Методика оценки Ег аналогична способу его определения по данным опытных и эксплуатационных откачек, однако гидравлическое сопротивление пласта является переменным во времени:
М = 2,35й//гс2.
При значительных размерах зоны пласта с измененной проницаемостью у фильтра скважины или небольшом коэффициенте фильтрации параметры внутренней зоны можно рассчитать, как в случае однородного пласта, по начальному участку изменения уровня подземных вод.
Величину & определяли по начальному участку графиков восстановления уровня при исследовании работы скважин, оборудованных бескаркасными керамическими фильтрами (Краснодарский край). Восстановление уровня в центральных скважинах фиксировалось пневматическим уровнемером. В результате опытов получено, что ^2 в скв. 216г и 218г составляла соответственно 1,8 и 1,93, а коэффициент фильтрации керамических блоков равнялся 0,368 и 0,130 м/сут. Отметим, что по данным откачек при установившемся режиме фильтрации при известных параметрах пластов получены коэффициенты фильтрации керамических блоков соответственно 0,42 и 0,130 м/сут. Следовательно, возможность оценки величины ?2 как по начальному участку графика восстановления уровня, так и по участку, соответствующему параметрам внешней зоны пласта, достаточно обоснована.
Оценка параметров фильтров по данным расходометрии1
Исследовать сопротивления фильтров скважин можно на основе скважинной расходометрии. Используя решения для распределения входных скоростей по длине фильтра скважины при относительно больших их величинах, имеем <
pM=0#ch« (П.50)
где v0 — входная скорость в нижней части фильтра; цт] — параметр,
1 Рассматривается только применительно к однородным пластам.
118
определяемый конструктивными особенностями фильтров; ц— коэффициент сжатия струи; т]—скважность фильтра; L —длина фильтра; D — диаметр фильтра.
С учетом уравнения (11.50) можно определить параметр 566цт):
arch -^ = 566 -И- L. (11.51)
Выражение (11.51) — уравнение прямой в координатах L/D — arch (уИ!Ч). Прямая проходит через начало координат, угловой коэффициент равен е.
Поскольку ch х=>(ех+е~х)/2, при относительно больших значениях х величиной егх можно пренебречь по сравнению с величиной е*. Тогда получим
— <1L52>
Уравнение (11.52) можно переписать в виде
L
В -ТГ-
2овх/о0 = е D . (11.53)
После логарифмирования выражение (11.53) будет иметь вид
In 2wBX/i»0 = е (L/D). (11.54)
Формула (11.54)—уравнение прямой в координатах L/D— ln2vBX/v0 с угловым коэффициентом е. При зондировании скважин в однородных пластах можно оценить величину е и, следовательно, определить их эффективность.
Пример. Скважина каптирует водоносный горизонт в среднезернистых песках с базальным слоем из гравийно-галечных отложений и оборудована пористо-керамическим фильтром на трубчатом каркасе диаметром 170/240 мм. Расходограмма скважины получена с помощью прибора с фотоэлектрической регистрацией импульсов оборотов крыльчатки при шаге опробования 0,5 м. Интегральная кривая расходометрии продифференцирована, и построена зависимость arch(oBX/Vo) от L/'D (рис. 49). График этой зависимости представляет собой прямую линию, по уклону которой определяется е=0,135 и цт]=2,4' 10 4, т. е. гидравлические характеристики фильтра весьма неблагоприятны.
Оценка параметров скважин пс результатам экспресс-налива
Опробование скважин методом экспресс-налива основывается на наблюдении за уровнем в скважине после кратковременного изменения напора в водоносном горизонте, вызванного наливом в скважину воды либо откачкой ее из скважины, либо спуском под уровень воды в скважине емкости, которая вытесняет некоторый объем жидкости. Изменение уровня в результате экспресс-налива можно регистрировать емкостным датчиком уровня или цепочкой последовательно соединенных резисторов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга [33].
119
Поскольку возмущение при экспресс-наливе в общем случае сказывается в небольшой зоне пласта, прилегающей к скважине, величина водопроводимости, полученная в результате экспресс-на-лива, характеризует гидравлические параметры фильтра и при-фпльтровой зоны. Применение экспресс-налива для оценки параметров окважин особенно важно в условиях эксплуатирующихся водозаборов и вертикальных дренажей, когда взаимодействие сква-
1/л
РИС. 49. График для определения параметра цц фильтра по данным расхо-дометрии скважин
жин существенно осложняет интерпретацию данных опытных откачек.
Полученная кривая восстановления уровня является основой для вычисления коэффициента водопроводимости или коэффициента фильтрации пород. Для интерпретации кривой изменения уровня в результате кратковременного возмущения скважины целесообразно использовать результаты точного решения, полученного Б. С. Шержуковым и М. И. Гамаюновым [33]. Согласно этому решению, в совершенных скважинах понижение уровня в любой момент после начала опыта может быть определено по следующей зависимости:
S = S0/?(/0,p'), (П.55)
функция, зависящая от
где So — понижение уровня в скважине при мгновенной откачке или повышении уровня при наливе; R(fa, ц') — параметра Фурье: fo—at!r2c-, а — коэффи-
циент пьезопроводности; t — время; гс — радиус скважины; р/ — коэффициент водоотдачи.
Решение уравнения (П.55) получено на основе исходного дифференциального уравнения Фурье при следующих краевых усло-
виях:
t — 0, S — So,
г0 < f < сю, S — О,
t > 0, г = г0, яг2 = 2nkmr
(11.56)
Результат решения при указанных условиях представлен в виде формулы (11.57), причем функция R(f0, ц') выражена интегралом с бесконечными пределами:
8ц' f е-“2/о da
л2 J [а/0(«)— 2ц'А («)12 + [а/(а) — гр'УДа)]» а ’
0 (11.57)
120
где Jo, J\> У и У1—символы функции Бесселя первого и второго рода от действительного аргумента нулевого и первого порядка.
Выражение (11.57) подробно табулировано. Значения табулированной функции 7?(f0, р') приведены в полулогарифмическом масштабе на рис. 50.
РИС. 50. Эталонные кривые для расчета параметров скважин и пластов по данным экспресс-налива
Для определения параметров опробуемого водоносного горизонта с помощью эталонных кривых S/So—р')], приведенных на рис. 50, следует фактические данные понижения уровня отложить на графике в координатах S/So—In t и полученную таким образом кривую совместить с одной из кривых р') от lnf0. По совпадающим кривым определяется величина водоотдачи р'. При этом ось абсцисс оказывается смещенной при kmtlr<?=\,§ на величину f0.
Отсюда водопроводимость рассчитывается по формуле
km= 1,0гс2//о.
(11.58)
Пример. Опытные исследования были проведены в скважинах, оборудованных фильтрами в рыхлых отложениях, на стационаре ВСЕГИНГЕО в поселке Щемилово. В разрезе здесь развиты переслаивающиеся флювиогляциальные пески различного гранулометрического состава. С поверхности на песчаных отложениях залегает слой супеси мощностью 1—2 м. Подстилаются пески верхне-юрскими глинами, залегающими на глубине 27—28 м. Вся толща песчаных
121
ТАБЛИЦА 42
Сопоставление значений водопроводимости, полученных путем экспресс-налива и опробованием опытными откачками
Номер скважины Водопроводимость, м2/сут Отклонение
Экспресс-налив Опытная откачка П робная о ткачка или опытный иалив Опытная откачка Пробная откачка (опытный налив), м2/сут
по центральной и наблюда- тельной скважинам по наблюдательным скважинам по центральной и наблюдательной скважи- нам по наблюдательным скважинам
м2/сут | % м2/сут | %
Полигон ВСЕГИНГЕО в Щемилово
607 112,0 114,0 190,0 —2,0 —1,8 —78,0 -41,1
612 613 647 651 653 506а 538 574 86ц 103,0 125,0 29,8 54,6 38,9 9,7 40,2 7,5 0,92 111,0 108,0 18,1 30,4 18,1 176,0 161,0 75,8 45,3 75,8 Т етюхи Язовс некое меа 10,5 39,0 8,8 кое место 1,06 —8,0 + 17,0 11,7 24,2 20,8 "орожд рожден —7,2 + 15,7 64,7 79,7 115,0 ение ие 1 —73,0 -36,0 —46,0 19,3 —36,9 —41,4 —22,3 —60,7 +20,5 -48,7 —0,76 +1,20 —1,30 —0,14
ТАБЛИЦА 43
Показатели сопротивлений фильтров и прифильтровых зон скважин Щемиловского стационара по кустовым откачкам и экспресс-наливу
Номер скважины Конструкция фильтра Радиус фильтра го» м Коэффициент фильтрации, м/сут Показатель сопротивления скважины Сг
пласта по данным кустовых откачек призабойной зоны по экспресс-налнву по кустовым откач- кам по экспресс-нали- ву
607 Тарельчатый 0,084 8,2 4,8 2,9 2,1
613 Жесткопоролоновый 0,084 11,5 5,4 3,15 3,2
647 Фильтр с коническими отверстиями 0,063 4,1 1,3 9,4 6,9
651 То же 0,063 2,5 1,4 3,4 2.6
флювиогляциальных отложений представляет собой единый безнапорный горизонт грунтовых вод с уровнем воды на глубине 2,5—3,5 м. Мощность безнапорного водоносного горизонта 24—26 м.
Экспресс-наливом на Щемиловском полигоне были исследованы скважины, оборудованные фильтрами различных типов: тарельчатым, жесткопоролоновым, фильтром с коническими отверстиями разных размеров. Водопроводимость, определенная по результатам экспресс-налива, приведена в табл. 42.
122
При известной мощности водоносного пласта можно оценить коэффициент фильтрации призабойной зоны в радиусе, в пределах которого сказывалось возмущение, обусловленное экспресс-наливом. При опробовании скважин Щемиловского стационара размер зоны возмущения не превышал 1,5 м. Коэффициент фильтрации этой зоны и показатели сопротивления фильтров и прифильтровых зон приведены в табл. 43.
Сопротивления, полученные по данным кустовым откачек и экспресс-налива, очень близки, и некоторое расхождение объясняется условностью задания величины радиуса возмущенной зоны. Но в любом случае при экспресс-наливе можно регулировать величину возмущения и, следовательно, определять проницаемость пласта в пределах этой зоны.
При оценке сопротивлений фильтров и прифильтровых зон скважин по данным экспресс-налива следует учитывать, что при значительной их величине опытная кривая обычно совпадает с эталонной, соответствующей меньшему значению водоотдачи, чем коэффициент водоотдачи пласта. Величина водоотдачи полученная по эталонной кривой, связана с фактической водоотдачей пласта ji' и показателем сопротивления скважины следующим соотношением:
= О1-59)
Следовательно, при известных у/0 и можно легко определить сопротивление скважины непосредственно методом эталонных кривых.
По аналогичной методике могут быть обработаны опытные данные, полученные при опробовании предварительно герметизированных скважин с использованием подкачки газа. При этом необходимо учитывать, чтобы давление, создаваемое компрессором или передаваемое от баллона (ресивера) со сжатым воздухом, не превышало высоты столба воды над фильтром и время выдержки этого давления в скважине было не менее 0,5 ч.
Имеется положительный опыт оценки сопротивлений фильтров и прифильтровых зон дренажных скважин по данным режимных наблюдений при переменном уровне в нижнем бьефе водохранилища. Очевидно, что при известных параметрах водоносных пород, каптируемых опытной скважиной, ее сопротивление можно определить по изменению барометрического давления и соответствующим колебаниям уровня воды в этой скважине.
ГЛАВА III.
КОЛЬМАТАЖ ФИЛЬТРОВ
И ПРИФИЛЬТРОВЫХ ЗОН СКВАЖИН
Эффективность работы фильтров водозаборных и дренажных скважин значительно зависит от кольматационно-суффозионных процессов на контактах каркас фильтра — порода, гравийная обсыпка — порода и каркас фильтра — гравийная обсыпка. При подборе фильтров без учета особенностей формирования естественного фильтра (сводообразования) в указанных контактных зонах возможно проявление механического кольматажа, который приводит к увеличению гидравлических потерь в прифильтровой зоне скважины и на самом каркасе фильтра. В ходе эксплуатации скважин в большинстве случаев наблюдается снижение их производительности, обусловленное отложением в отверстиях фильтров, порах гравийной обсыпки и водоносных породах осадков химического и биологического цроисхождения. Сущность этих процессов необходимо знать как для разработки методов подбора и расчета фильтров, так и для формулирования рекомендаций по поддержанию стабильного дебита скважин во времени за счет применения комплекса профилактических мер и ремонтных работ.
§ 22. Механический кольматаж фильтров и прифильтровых зон скважин и меры по его предупреждению
Кольматаж контактной зоны между каркасом фильтра и гравийной обсыпкой (водоносной породой) вызывается главным образом заклиниванием отверстий и наложением частиц гравия (песка) на водоприемную поверхность фильтра. Минимальная величина коэффициента расхода фильтра при d25/b = l (d2$— диаметр частиц гравия или песка, соответствующий 25%-ному содержанию его в пробе, Ь — диаметр круглого отверстия или ширина щели). Следовательно, соотношение размеров частиц гравия (песка) и щели не должно равняться единице.
При отборе воды из рыхлых песчаных отложений необходимо! стремиться к созданию естественных фильтров на контакте каркаса фильтра с породой либо на контакте гравийной обсыпки с породой. Естественные фильтры должны формироваться при непременном песковании скважин, так как только при этих условиях наблюдается отмывка мелкозернистых частиц, снижающих фильтрационные свойства пород в прифильтровой области. Повышенные пористость и проницаемость естественного фильтра благоприятно сказываются на производительности скважины и на сроке ее службы.
124
Учитывая указанные условия формирования фильтров, можно-избежать механического кольматажа самого каркаса. Важным является учет возможности кольматации и при устройстве рыхлой гравийной обсыпки с тем, чтобы не допустить дополнительных потерь напора на контакте гравия с породами водоносного пласта и; заиления самой обсыпки. При этом следует учитывать, что соотношение между размерами частиц рыхлых водоносных пород и гравия или песка зависит от кольматажа и пескования скважины.
Пескование, т. е. вымыв и вынос в скважину частиц песка из: водоносного пласта, называют также механической суффозией. В результате исследований установлены две категории условий возникновения механической суффозии:
1) геометрические, определяемые соотношением между частицами фильтра и песка, защищаемого от выноса;
2) гидромеханические в поровых каналах на контакте фильтра-, с водоносной породой, определяемые градиентами и входными скоростями фильтрации..
Если частицы песка не проникают сквозь поры гравийной обсыпки, т. е. по геометрическим условиям механическая суффозия» невозможна, то любые большие градиенты напора и скорости-фильтрации не могут вызвать пескования скважин. Явление выпора при этом исключается, так как частицы обсыпки опираются на-каркас или каркасный слой фильтра, поэтому они могут воспринимать воздействие фильтрующейся воды как одна целая статически жесткая система.
Геометрический критерий суффозии, как правило, определяется отношением Did (диаметров частиц, составляющих обсыпку £>,. и водоносного пласта d). Исключение составляет только критерий В. Н. Кондратьева, который опытным путем установил, что размер-передвигающихся в гравийном слое песчаных частиц соизмерим с гидравлическим эквивалентом размера пор гравийного фильтра:
d0= 0,214^, (Ш.1>-
где т]й — параметр неоднородности и плотности, определяемый по специально разработанной методике.
Принимая т)й=1, нетрудно убедиться, что гидравлический эквивалент пор dQ представляет собой величину, равноценную среднему диаметру каналов обсыпки do *.
Рекомендации по размерам частиц, которые определяют геометрические условия механической суффозии, можно разделить на две-группы. Первая группа объединяет зависимости, которые основаны на соизмеримости размера защищаемых от выноса частиц со-средним диаметром поровых каналов обсыпки d^d0 или требованиях о недопущении проникновения песчаных частиц в фильтр, т. е. предотвращения кольматируемости фильтра d>do, что соответству-
1 Проведенный Слихтером анализ модели фиктивного грунта, сложенного, из Шаров одного размера D, показывает, что диаметр пор однородного грунта rfo=O,21, т. е. Dtdo^ib.
125,
ет соотношению между величинами Did без учета сводообразования:
£>/d<4--5. (III.2)
Этим отношением рекомендуется пользоваться при подборе гравия для второго и следующих слоев обсыпки.
Вторая группа включает рекомендации, полученные с учетом сводообразования [1]. Отношение диаметра зерен внешнего слоя обсыпки D к диаметру зерен d, которые предполагается удержать от выноса в водоносном пласте, находится в пределах
D/d = 8-s-I2. (Ш.З)
§ 23. Химический кольматаж фильтров
и прифильтровых зон скважин
и профилактические меры по его предупреждению
При проектировании и строительстве временных водопонизительных и постоянных дренажных систем не придается большого значения влиянию химического состава подземных вод на успешность работы скважин и дренажей. Однако опыт эксплуатации этих сооружений показывает, что их производительность и дренирующая способность существенно снижаются во времени вследствие зарастания фильтров и прифильтровых зон скважин гидратом окиси железа, карбонатом кальция и силикатными образованиями.
Анализами состава осадков, отлагающихся на фильтре, в гравийной обсыпке, водоподъемных трубах [1], а также пО результатам вскрытий фильтров водопонизительных скважин на больших глубинах установлено, что в составе осадков преобладают соединения Fe(OH)3, СаСОз, Mn(OH)2, M.n(OH)4, SiO2-nH2O и механические примеси — тонкие глинистые и песчаные частицы. Осадки образуются в результате нарушения химического равновесия в пласте, связанного с действием в нем гидродинамического возмущения. Нарушение химического равновесия обусловливается смещением наиболее динамичного газового равновесия, выражающегося в гидролизе бикарбоната железа, окислении закисного железа до трехвалентной формы и избыточном образовании карбонат-ио-нов с одновременным увеличением pH при удалении свободной углекислоты.
В прифильтровой зоне в условиях контакта подземных вод с атмосферным воздухом, парциальное давление углекислоты в котором ничтожно мало, и при понижении давления происходит десорбция свободной углекислоты из подземных вод. Параллельно в подземных водах, обычно обедненных кислородом, наблюдается его поглощение из воздуха, в результате чего Fe2+ окисляется до Fe3+ с образованием Fe(OH)3, основного кольматирующего соединения.
Аналогично образуются отложения труднорастворимой гидроокиси марганца в порах и на фильтре. Избыток карбонат-ионов 126
при диссоциации НСО3 связывается катионами кальция, всегда присутствующими в водоносных пластах, каптируемых при водоснабжении и водопонижении. Таким образом, процесс химической кольматации призабойных зон скважин при заборе гидрокарбонат-но-кальциевых вод контролируется содержанием соединений железа, марганца, двуокиси кремния и их стабильностью1.
Для определения возможности течения реакции разложения бикарбонатов железа и выпадения карбоната кальция необходимо оценить стабильность подземных вод в естественном состоянии. Наиболее удобно на основе данных химического анализа воды рассчитывать величины pHs, отвечающие равновесному состоянию в растворе углекислых соединений.
Если фактическая величина pH данной воды ниже pHs, это результат избытка в растворе СО2. Такие воды способны растворять карбонатные образования. При pH>pHs содержание СО2 в данной воде меньше равновесной концентрации и она способна выделять из раствора осадок карбоната кальция. Величина pHs может быть, определена из следующей зависимости:
pH^pK. + pS^^—lg(Ca2+)—1§(Щ)+2,5]/р^ , (III.4)
где ipK2 = lg/(2; К2 — константа второй ступени диссоциации угольной кислоты; р5Сасо3=—lg-Scaco3; SCaco3—произведение растворимости СаСО3; Са2+ — концентрация катиона кальция; Щ — щелочность; р— ионная сила раствора.
Для расчета pHs И. Э. Апельциным составлена номограмма, в которой равновесная концентрация водородных ионов определяется как функция температуры, содержания кальция, величины щелочности и общего солесодержания:
pHs = Д (0- f2 (Са2+)- f3 (Щ)+f4 (р). (III.5>
Показателем стабильности воды и способности к выделению осадков является индекс насыщения, равный разности между фактически измеренной величиной pH и pHs:
Z = pH-pHs. (III.6)
Большой объем исследований по изучению устойчивости карбонатных систем был проведен Ризнером, который определял возможность выделения карбоната кальция в системах оборотного водоснабжения при различных отношениях pH равновесного насыщения к действительной величине pH подземных вод:
Ri = 2pHs—pH. (III.7)
Экспериментами установлено, что при Ri<7 воды всегда склонны к выделению кольматирующих образований. Выделение СО2 в прифильтровой зоне приводит к повышению pH, при этом наиболее
1 Процесс кольматации здесь рассматривается вне зависимости от конструк-
ции фильтра, который предполагается выполненным из антикоррозионного материала.
127
интенсифицируется гидролиз бикарбоната железа и увеличивается скорость окисления закисного железа. При рН = 7-н8 скорость окисления железа соизмерима со скоростью течения воды в прифильтровых зонах скважин. При более глубоком удалении свободной углекислоты разложение бикарбонатов приводит не только к •образованию Fe(OH)3, но и к выпадению из раствора карбонатов кальция и магния.
В связи с тем что в железосодержащих водах разложение Fe(HCO3)2 неизбежно, важно определить устойчивость образующихся соединений железа. Коллоидные растворы гидрозакиси и гидроокиси железа образуются, если содержание в воде ионов Fe2+, Fe3+ и ОН- превышает концентрации, отвечающие произведениям растворимости Fe(OH)2 и ,Fe(OH)3. Определяя pH равновесного насыщения гидрозакпсью или гидроокисью при данных температурах и концентрациях Fe2+ и Fe3+, можно путем сопоставления этой величины с pH рассматриваемой воды судить о форме, в которой железосодержащие соединения мигрируют в подземных •водах.
Процесс зарастания фильтров соединениями железа будет идти только в окислительной обстановке при наличии в водах кислорода, необходимого для перевода иона железа в трехвалентную форму. Аэрация же подземных вод наиболее интенсивно происходит вблизи скважины. Кроме того, в .отдельных случаях закисное железо окисляется за счет кислорода, содержащегося в незначительном количестве в воде, при интенсивном перемешивании, вызванном турбулизацией потока в гравийной обсыпке и фильтре.
Для качественного прогноза кольматажа рационально разделить подземные воды в соответствии с их способностью к выделению закупоривающих отложений на следующие типы.
1. Агрессивные подземные воды, не содержащие железа с отрицательным индексом насыщения карбонатом кальция, в которых процессы зарастания при отсутствии аэрации или даже при наличии некоторого подсоса воздуха в прифильтровую зону развиваются очень медленно и их можно не' принимать во внимание.
2. Железосодержащие воды с положительным индексом насыщения, в которых, как правило, нет растворенного кислорода, и стабильные воды при полной изоляции водной поверхности от атмосферного воздуха (самоизливающиеся скважины) характеризуются медленным течением процесса зарастания фильтра при ин-•тепсивном водоотборе.
3. Железосодержащие воды с положительным индексом насыщения (pHs>0) и стабильные воды при всех способах водоотбора, способные к интенсивному выделению кольматирующих соединений.
4. Воды, не содержащие железа с высоким положительным значением индекса насыщения. В этом случае в прифильтровых зонах скважин и дренажей откладывается карбонат кальция.
5. Воды, содержащие кремнекислоту в виде коллоида. В прифильтровой зоне скважины создаются условия, благоприятные для
128
ее коагуляции, в результате чего образуются коагели взаимного осаждения кремнекислоты с гидроокисью железа.
На стадии детальных гидрогеологических исследований с использованием охарактеризованных критериев следует давать предварительный качественный прогноз возможности и предполагаемой интенсивности кольматационных процессов. Очевидно, нет смысла при этих исследованиях проводить длительные откачки с целью оценки интенсивности снижения производительности скважин в связи с кольматажем. Решение этих вопросов более целесообразно осуществлять в начальный период эксплуатации водозаборных и дренажных систем.
ТАБЛИЦА 44
Состав осадка на извлеченном фильтре и пьезометрической трубке скважины
Составляющие осадка, % Извлеченный фильтр Пьезометрическая трубка скважины Составляющие осадка, % Извлеченный фильтр Пьезометрическая трубка скважины
Влажность Потеря при прокаливании Нерастворимый осадок Полуторные окис-лы Оксид железа (Fe2Os) 4,74 4,73 9,98 75,30 73,29 7,31 14,81 1,54 82,40 80,64 Оксид алюминия (А12О3) Оксид кальция (СаО) Оксид магния (MgO) Сульфаты (SO4) 2,01 0,288 0,20 3,41 1,76 0,40 0,06 0,75
В общем же случае опыт показывает, что с достаточной для практических целей точностью состав кольматанта можно определить по составу осадков на водоподъемном оборудовании и надфильтровых трубах. Это доказано сопоставлением состава осадков на извлеченных из скважины фильтрах с составом осадков на водоподъемном оборудовании и многочисленными результатами опытных ,работ. Один из эффективных косвенных методов анализа состава осадков в скважине был применен на водозаборе г. Риги «Балтэзерс». На этом водозаборе скважины оборудованы пористокерамическими на трубчатом каркасе фильтрами большого диаметра (фильтрами Тима). Подземные воды гидрокарбонатно-кальцие-вого состава характеризуются небольшим содержанием железа. В ходе исследований анализировались осадки, отобранные с извлеченных каркасов фильтров и с трубок для замера уровней (водоподъемных колонн), а также состав кольматирующих отложений в удаленных от фильтра зонах по данным о газлифте водозаборных скважин при солянокислотной обработке. Характерный лабораторный анализ кольматирующих отложений с извлеченного каркаса гравийно-обсыпного фильтра с использованием 25% НС1 и с замерных трубок (табл. 44) свидетельствует о превалирующем содержании в осажденном комплексе гидроокислов железа.
9—643
129
Прогноз возможности газлифта при реагентных обработках скважин важен в первую очередь в связи с опасностью выброса реагента, возникновением затруднений при его заливке самотеком и оценкой возможности использования энергии образовавшихся газов для задавливания реагента за контур фильтра. Первичной при таком прогнозе является оценка количества составляющих кольма-танта, которые при взаимодействии способны выделять газы.
Сопоставим в связи с этим данные анализов осадков с водоподъемного оборудования (замерных трубок) с параметрами газлифта скважин, обработанных НС1 в условиях водозабора «Балт-эзерс». Если предположить, что скорость жидкой фазы при движении газированной смеси равна скорости движения газовой фазы, то, пренебрегая потерей на трение, можно записать
(й1 + йа)//11 = тЕ/усм, (1П.8)
где h\ и /г2 — соответственно расстояния от середины фильтра до статического уровня и от статического уровня грунтовых вод до уровня излива жидкости при газлифте; ув и -уСм — плотность соответственно воды и газожидкостной смеси.
Отсюда плотность газожидкостной смеси, обусловливающая газлифт,
Тсм = М,М + ^)- (III.9)
Используя известное соотношение
Тсм=(QrT..+Q«O(Qr+Q») (ШЛО)
(Qr — расход газа; уг — плотность газа, Q-,K— расход жидкости при газлифте) и пренебрегая незначительным произведением Qryr, можно оценить количество образовавшегося газа
Qr = (РжТж/Тсм) ~ Q»- (Ш-11)
Следовательно, при известной уж и расходе скважины при газлифте может быть определен расход газов, выделившихся в ходе реакции осадков.
На основе стехиометрических соотношений, описывающих реакции НС1 с СаСО3 и Ее(ОН)з, и данных о газлифте вычислено количество СаСОз и с учетом остаточной концентрации НС1 определено содержание Fe(OH)3 в кольматанте. Таким образом, по данным экспериментальных работ определяли примерное соотношение различных составляющих в многокомпонентном осадке. Характерно, что многокомпонентные осадки, содержащие не только гпдроокис-лы, но и образования, способствующие выделению газов даже в пределах одного водозабора, имеются не во всех скважинах.
Для скважин с интенсивным газлифтом подсчитаны общие объемы излившейся жидкости, объем и количество газов, вызвавших газлифт, и масса СаСО3, MgCO3, а также осадков, не вызывающих выделений газов (гидроокислы).
В расчет положены значения расходов самоизлива скважин,
130
время до начала газлифта в период отвода продуктов реакции и данные о положении статического и динамического уровней в скважине и при изливе газожидкостной смеси на поверхность земли. Опытные данные обрабатывали путем построения графиков зависимости расхода скважин при газлифте от времени до начала газлифта и интегральной оценки расходов жидкости в каждом цикле обработки.
Результаты расчетов показывают, что количество СаСОа и MgCO3 в осадке невелико и обычно не превышает 1 кг. Содержание же гидроокислов составляет для скважин с пористо-керамическими фильтрами 127—347 кг, а для скважин с гравийными фильтрами большого диаметра (фильтрами Тима) —-202—561 кг.
Сопоставление соотношений >Fe2O3/CaO в осадках с водоподъемных труб и фильтров с данными о газлифте свидетельствует о несколько больших значениях, полученных при лабораторных исследованиях (табл. 44). Отмечая близкие значения соотношений компонентов осадков по лабораторным и полевым работам, следует обратить внимание на их закономерное увеличение по данным о газлифте. Это связано со сложностью герметизации устья и предотвращения утечек газа как в соединениях, так и через гравийную обсыпку, доведенную до дна шахты. Кроме того, данные о газлифте позволяют рассчитать объемы газов, обеспечивающих выброс жидкости, а ведь значительное выделение газов происходит и после прекращения самоизлива, когда из скважины выходят одна пена или только газы. При небольшом содержании СаО и MgO в осадках ошибка в их определении, связанная с неточностями фиксирования объема газов по упомянутым причинам, могла привести к завышенным значениям Fe2O3/CaO.
С учетом проведенного анализа можно с достаточным основанием утверждать, что осадки на водоподъемном оборудовании и на обсадных трубах идентичны осадкам в призабойной зоне, поэтому методику регенерации и наиболее эффективный реагент для восстановления производительности скважин можно выбирать на основе анализа.осадков на насосах и водоподъемных трубах.
Возможность прогноза смещения равновесия в подземных водах при действии водозаборных и дренажных сооружений и идентификации состава кольматанта по осадкам на наземном оборудовании создает предпосылки для районирования территории с целью выделения зон, характеризующихся наиболее неустойчивым режимом работы водозаборов, и назначения соответствующих методов их регенерации. Особенно важно такое районирование при организации сельскохозяйственного водоснабжения на базе использования подземных вод. Впервые принципы такого районирования были изложены в работе В. С. Алексеева. Они были применены Э. А. Морозовым к районированию территории УССР для оценки возможности и интенсивности кольматационных процессов на фильтрах и в прифильтровых зонах скважин [20]. При проектировании водозаборов такое районирование позволяет судить об ориентировочном сроке службы скважин и возможном числе ремонтов в течение
Э*
131
РИС. 51. Схема районирования территории Башкирской АССР по особенностям кольматации и рекомендуемым способам регенерации скважин:
1 — район интенсивного кольматажа и применения реагентных методов с периодичностью 1—1,5 года; 2 — район проявления кольматажа карбонатными образованиями в песчаниках и применения реагентных способов с периодичностью в 2 года; 3 — район распространения плотного кольматанта и применения импульсных методов периодичностью в 3 года; 4— граница Волго-Камского артезианского бассейна; 5— граница Башкирской АССР
срока амортизации. Однако наряду с таким прогнозом более важно ориентироваться и на определенные методы восстановления производительности водозаборов и вертикальных дренажей.
Исследования в этом направлении были проведены во ВНИИВОДГЕО применительно' к территории Башкирской АССР и Тамбовской области для систем скважин сельхозводоснабжения [22]. В БАССР районирование произведено в пределах Волго-Камского артезианского бассейна.
132
В настоящее время здесь для сельскохозяйственного водоснабжения используется более 4000 скважин, каптирующих до 10 водоносных горизонтов и комплексов в осадочных отложениях, представленных рыхлыми и полускаЛьными породами. Гидрохимический состав подземных вод основных горизонтов и комплексов, используемых в системе сельскохозяйственного водоснабжения, меняется от гидрокарбонатно-кальциевого до сульфатно-кальциевого типа.
При проведении районирования территории Башкирской АССР были использованы данные 84 опорных скважин (данные о содержании основных компонентов в составе подземных вод и кольмати-рующих образований, общей минерализации подземных вод, реакции среды и др.). Для рассматриваемой территории (рис. 51) были проведены расчеты показателя Ризнера по основным водоносным горизонтам и комплексам, каптируемым скважинами систем сельхозводоснабжения. Как следует из расчетных данных, подземные воды в основном склонны к образованию солей жесткости на фильтрах и в прифильтровых зонах скважин (7<Ri<;9).
По средним значениям показателя Ризнера было проведено районирование подземных вод. Выделялись следующие четыре района: 1) Ri = 7,0-e7,2, гидрокарбонатно-кальциевые воды, приуроченные к аллювиальным четвертичным гравийно-песчаным отложениям; 2) Ri=7,2-r-7,4, гидрокар бонатно-кальциево-магниевые и сульфатно-кальциевые воды, приуроченные к кунгурским известнякам; 3) Ri = 7,4-r-7,6, сульфатно-кальциевые и магниевые, гидро-карбонатно-кальциево-магниевые и натриевые воды, приуроченные к аллювиально-неоген-четвертичным и неогеновым гравийно-галечниково-песчаным отложениям и уфимским песчаникам; 4) Ri = = 7,6 -т- 7,9, гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, сульфатно-кальциевые и магниевые воды, приуроченные к татарским, казанским известнякам и песчаникам и нижнепермским известнякам.
Таким образом, наибольшей склонностью к выпадению солей жесткости на фильтрах и в прифильтровых зонах скважин характеризуются пресные подземные воды, приуроченные к татарским и казанским песчаникам и нижнепермским известнякам.
Дальнейшие исследования состава кольматирующих образований позволили произвести районирование территории по преобладающему составу осадков в прифильтровых зонах скважин. В результате выделены два района. Первый район распространения железистых кольматирующих соединений приурочен к гравийно-песчаным, гравийно-галечниково-песчаным водоносным отложениям и песчаникам (в составе осадков имеется соотношение Fe(OH)3+ +Fe2O3>CaCO3+MgCO3). Анализом состава кольматанта с водоподъемного оборудования скважины установлено, что содержание железистой составляющей изменяется в осадках от 53,45 до 78,37%. Наличие кальция и магния имеется во всех пробах осадка, что соответствует установленной склонности подземных вод к выпадению солей жесткости. Этот район охватывает около 80% площади исследуемой территории. При дальнейшей детализации в его преде-
133
нижнепермского возраста
I 1> i г1 1л
РИС. 52. Схема районирования территории Тамбовской области по особенностям кольматации и рекомендуемым способам регенерации скважин:
1 — неоген-четвертичный водоносный комплекс, кольматирующие соединения — окислы, гидроокислы железа, рекомендуемые реагенты — соляная кислота, днтионит, бисульфат натрия; 2 — меловой водоносный комплекс, кольматирующие соединения — окислы, гидроокислы, сульфиды железа, рекомендуемые реагенты — соляная кислота, бисульфат натрия; 3 — девонский водоносный комплекс, кольматирующие соединения — карбонаты, рекомендуются импульсные методы регенерации
л ах выделены в пойменных отложениях участки распространения кольматирующих осадков в виде сульфидов железа FeS и, возможно, алюмосиликатов.
Второй район распространения карбонатных кольматирующих соединений приурочен к водоносным известнякам татарского и оставе осадков преобладают СаСО3, MgCO3). Имея схему распространения осадков в прифильтровых зонах скважин, можно выделить районы по рекомендуемым способам регенерации.
Аналогичное районирование, выполненное применительно к объектам сельхозводоснабжения в Тамбовской области (рис. 52), позволило выделить три основные зоны с разработкой рекомендаций по способам регенерации скважин на воду и межремонтным периодам. Нетрудно заметить, что предлагаемая схема районирования включает технологическую информацию, которая не может быть однозначной вследствие своеобразия местных условий, конструкций водозабора, режима эксплуатации. Поэтому в последующем оказалось необходимым рассмотрение основных методических проблем прогноза изменения производительности скважин в связи с кольматацией и обоснование технологии восстановительных мероприятий.
Предлагаемая методика прогноза зарастания фильтров и прифильтровых зон водозаборных скважин в процессе эксплуатации не
требует специальных анализов и может быть легко применена при проектировании крупных водозаборных и водопонизительных систем. Однако следует отметить, что практически во всех случаях при эксплуатации скважин в районе их действия формируется новый гидродинамический режим (изменяются условия питания, сказывается перетекание из других водоносных горизонтов), в результате чего изменяются гидрохимические условия.
Поскольку при отборе большого количества воды увеличиваются содержание железа и общая жесткость, процесс кольматации прослеживается более интенсивно. Ниже приводится пример такого прогноза и прослеживается изменение гидравлических показателей скважин в различных гидрогеологических условиях.
134
Пример. Скважины Горьковского стационара по испытанию различных конструкций фильтров имеют одинаковую глубину (14 м) и пробурены на водоносный горизонт в четвертичных отложениях первой надпойменной террасы р. Волги в нижнем бьефе Горьковской ГЭС. Водоносный горизонт представлен в верхней части мелко- н среднезернистыми песками мощностью 4—5 м, в нижней части — крупнозернистыми песками с галькой и гравием коренных пород. Скважины оборудованы фильтрами диаметром 168 мм и длиной 4 м, установленными в нижней части разреза, работают самоизлнвом. В региональном плане питание водоносного горизонта осуществляется за счет фильтрации воды из водохранилища. В зоне дренирования скважин и магистрального коллектора находятся болота. Воды характеризуются повышенными концентрациями железа, сероводорода (10—12 мг/л), значительной окисляемостью (табл. 45).
ТАБЛИЦА 45
Данные о химическом составе подземных вод на Горьковском стационаре
Содержание, мг/л
Анноны, мг/л
Катионы, мг/л
Жесткость, 10-3 моль/л
13,5 3,45 3
9,7 5,75 2,2
2,9
2,2
Все это характерные признаки восстановительных сульфатредуцированных вод. Были рассчитаны стабильность воды и индекс насыщения по Ланжелье с использованием номограмм И. Э. Апельцина.
Отсутствие возможности аэрации и растворенного кислорода в подземных водах, отрицательный индекс насыщения указывают на то, что процессы зарастания в этих условиях вследствие выпадения из раствора гидроокиси железа и карбонатов кальция и магния маловероятны. Однако сказалось смещение газового равновесия, обусловленное существенным расхождением растворимости сероводорода при различной величине pH воды. Поскольку поток к вертикальному дренажу формируется со стороны водохранилища и дренируемой территории в нижнем бьефе, изменение физико-химических условий на линии дренажа привело к увеличению pH и, следовательно, к десорбции из воды H2S и образованию гидросульфидных ионов и S2-. При избытке ионов $г~ в фильтре и прифильтровой зоне фиксируются отложения FeS, кольматирующие отверстия фильтра и поры гравийной обсыпки.
Детальные исследования химического кольматажа скважин на вертикальных дренажах Каховского и Кременчугского водохранилищ на Днепре, дренажах Волжской ГЭС им. В. И. Ленина, Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС, Цимлянского гидроузла, водозаборах в городах Риге, Минске, Краснодаре, Воронеже, Курске, Черкассах, Тамбовской области, Башкирской АССР показывают, что практически во всех случаях наблюдается кольмата-ция фильтров и прифильтровых зон скважин. Возможно отложение карбонатов и при среднегодовых отрицательных значениях индекса насыщения подземных вод углекислотой, что связано с сезонным изменением этого показателя.
135
Интерес представляет форма нахождения в осадке соединений железа как для определения количества осадков, так и для правильного выбора реагента при восстановлении производительности скважин. В процессе диагенеза осадков во времени гидроокись железа должна превратиться в обезвоженный гематит, растворимость которого реагентами меньше растворимости Fe(OH)3. В равновесии с гематитом устойчивость FeCO3 значительно уменьшается.
Для оценки влияния различных факторов на интенсивность процессов химического кольматажа, а также формирования минерального состава железистых осадков в скважинах Каменского вертикального дренажа в Приднепровье, дренажа в Краснодаре и водо-
ТАБЛИЦА 46
Характеристика окислительно-восстановительного состояния воды в скважинах Каменского дренажа
Характеристика воды Скв. 181 Скв. 183 Скв. 184 Скв. 163 Скв. 159
глубина 16 м на изливе глубина 16 м " 1 на изливе глубина 16 м на изливе глубина 16 м на изливе глубина ! 16 м иа изливе
Fe2+, мг/л РеОбщ, мг/л Eh, мВ рн 0.23 0,41 +90 7,5 0 0 + 130 7,7 0,26 0,46 +80 7,4 0,02 0,14 +120 7,7 0,82 1,12 +50 7,5 0 0,12 +90 7,6 2,2 14,2 +60 7,4 1,39 2,8 +90 7,7 2,14 3,24 +50 7,4 1,68 2,00 +100 7,6
заборных скважинах в Курске были проведены специальные исследования, включающие анализ химического состава осадков и подземных вод, а также режимов эксплуатации скважин. Скважинами отбирали подземные воды гидрокарбонатного типа, приуроченные к аллювиальным отложениям. На участке вертикального дренажа скважины эксплуатировались при эрлифтном водоотборе, на Курском водозаборе в качестве водоподъемного оборудования использовались погружные насосы, в Краснодаре скважины работали в режиме самоизлива.
Для химического анализа пробы воды отбирали из скважин с помощью специального батометра, в крышку которого вмонтированы электроды для измерения Eh и pH. Эти величины измеряли переносным pH-милливольтметром ППМ-03М1. Химический анализ воды проводился на местах отбора проб. Исследованиями установлено, что на всех участках в подземных водах явно наблюдаются восстановительные условия. Это позволяет сделать вывод о том, что в естественных условиях железистые осадки не должны выпадать, кольматаж фильтров и прифильтровых зон определяется особенностями гидродинамического и гидрохимического режимов течения подземных вод вблизи скважины и внутри нее. Так, эрлифтный способ водоотбора из скважин вертикального дренажа максимально способствует аэрации откачиваемой воды и смеще
136
нию равновесия соединений железа. При демонтаже воздушных труб в некоторых скважинах наблюдается практически полное зарастание водоподъемных труб осадками, отложение которых не локализуется только в водоподъемных трубах, а наблюдается также и в прифильтровых зонах скважин.
Для исследования влияния эрлифтного водоподъемного оборудования на интенсивность процесса кольматажа в скважинах отбирали пробы воды на выходе из водоподъемной колонны и результаты анализов сопоставляли с данными анализа глубинных проб при неработающих скважинах. Как видно из табл. 46, при эрлифтном водоотборе значительная часть железа, находящегося в закисной форме в пластовых условиях, окисляется и осаждается в водоподъемных трубах.
На водозаборных скважинах в Курске при отборе вод погружными насосами также наблюдается образование железистых осадков, но с меньшей интенсивностью.
Для оценки устойчивости соединений железа в подземных водах при работе скважин были рассчитаны равновесные концентрации ионов Fe2+ по отношению к Fe(OH)3 и FeCO3. Результаты расчетов приведены в табл. 47, из которых следует, что практически во
ТАБЛИЦА 47
Соотношение фактических и теоретических показателей насыщения подземных вод Fe(OH)3 и FeCO3 на Курском водозаборе
Номер скважины lg °нсо3 lg йре2|~ lgoFe2^ pH Образование FeCOa
Ан а ЛИЗ Расчет Замер Расчет
7 —2,44 —4,84 —4,79 6,9 6,95
8 —2,39 —4,46 -4,84 6,9 6,52 +
9 —2,39 —4,85 —4,84 6,9 6,91
10 —2,38 —4,38 —4,76 6,8 6,33 +
11 —2,42 —4,97 —4,71 6,8 7,06
12 —2,47 —5,20 —5,08 7,2 7,34
13а ‘ —2,44 —4,69 —4,79 6,9 6,71 +
14а —2,46 —4,90 —4,77 6,9 7,03
15а —2,40 —4,66 —4,83 6,9 6,73 +
17 —2,42 —5,07 —4,71 6,8 7,14
18 —2,45 —4,80 —4 68 6,8 6,92
19а —2,40 —4,95 —4 73 6.8 7,02
. 20 —2,46 —4,6’ —4,77 6,9 6,80 +
21 —2,45 —4.46 —4,78 6,9 6,58 +
всех пробах наблюдается некоторое перенасыщение воды железом по отношению к его равновесным значениям. Следовательно, в процессе эксплуатации скважин будет образовываться гидроокись Fe(OH)3, осаждающаяся в прифильтровых зонах и фильтрах. Карбонат железа образуется в скважинах, помеченных знаком «+». Расчетами установлено, что FeCO3 практически всегда устойчив нри равновесии с Fe(OH)3.
137
Таким образом, процессы химического кольматажа в скважинах контролируются отложением железистых осадков в виде FeCO3 и Fe(OH)3. Поскольку активность ионов железа в отбираемых водах определяется растворимостью соединений, образующихся в процессе эксплуатации скважин, а также щелочно-кислыми и окислительно-восстановительными условиями, то по данным химического анализа воды и измеренным значениям Eh и pH можно установить равновесные формы нахождения железа.
РИС. 53. Диаграмма устойчивости соединений железа в подземных водах на Каменском вертикальном дренаже:
а — равновесие с FeaOs; б — равновесие с Fe(OH)3
Реакция между ионами окисного железа Fe3+ и гидроокисью записывается в виде
Fe(OH)3 + ЗН+ Fes+-f-3H2O,
Eh = 0,771 — 0,177 (pH— 1,61)—0,05921g aFe2+.
(III. 12)
(III. 13)
Аналогичное уравнение можно записать и для реакции между ионами трехвалентного железа Fe3+ и окисью железа (гематитом) [И
Fe2O3+6H+ 2Fe2+ + ЗН2О,
Eh = 0,771 —0,177 (рН^-0,24) —0,05921g
(III. 14)
(III. 15)
138
Из сопоставления уравнений (Ш.13) и (III.15) следует, что
ионы трехвалентного железа находятся в равновесии с гидроокисью железа при более высоких значениях окислительно-восстановительного потенциала, чем с окисью железа. Следовательно, и концентрация их в подземных водах при одинаковых условиях будет значительно меньше п;ри равновесии с Fe2O3, чем при равновесии с Fe(OH)3.
Расчетами по формулам (III.13) и (III.15) установлено, что концентрация ионов Fe3+ в подземных водах соответствует растворимости гидроокиси, т. е. ионы Fe3+ находятся в равновесии с Fe(OH)3, а концентрация ионов'Fe2+ лимитируется условиями его окисления до Fe(OH)3. На рис. 53 приведены диаграммы устойчивости ионов Fe3+ в подземных водах на участке вертикального
дренажа. На обе диаграммы нанесены опытные точки. Полученные данные свидетельствуют о том, что ионы трехвалентного железа находятся в равновесии с Fe(OH)3.
Аналогичные расчеты были проведены и на участке водозаборных скважин в Курске. На рис. 54 иллюстрируется хорошая корреляция меж-pv рассчитанными по уравнению (Ш.13) и определенными в лаборатории концентрациями, выраженными через логарифмы активности ионов Fe2+. Из приведенных данных следует, что железистые осадки, образующиеся в призабойных зонах, на фильтрах и в водоподъемных трубах, представлены карбонатом и гидро-
РИС. 54. Диаграмма устойчивости соединений железа для водозабора в Курске
окисью железа.
Таким образом, при назначении методов регенерации скважин ц определении количества реагента следует исходить из того, что кольматант фильтров и прифильтровых зон скважин береговых дренажей представлен гидроокислами железа. Это позволит унифицировать методику восстановления производительности скважин [13].
Профилактические мероприятия, позволяющие несколько сни-
зить интенсивность процессов химического кольматажа, надо предусматривать как при конструировании скважин, так и в процессе их работы. В водоносных горизонтах с подземными водами, склонными к выделению кольматирующих образований, необходимо избегать неравномерного режима эксплуатации скважин, в результате которого происходит аэрация подземных вод, надежно герметизировать устья скважин, исключать использование эрлифтных водоподъемников, проверять работу обратных клапанов погружных насосов с тем, чтобы предотвратить поступление аэрированных вод в интервал установки фильтра.
139
В общем случае следует отметить, что профилактические мероприятия не исключают химического кольматажа фильтров и при-фильтровых зон скважин и при наличии этих процессов необходимо предусматривать регулярную регенерацию скважин на основе прогноза снижения их производительности.
§ 24. Биологический кольмантаж скважин
Процессы химического кольматажа, происходящие в прифильтровых зонах скважин, интенсифицируются биологической деятельностью. Основной причиной этого являются железо- и марганцевые бактерии, которые в нескольких видах присутствуют во всех водоносных породах и подземных водах и в результате жизнедеятельности осаждают железо и марганец из подземных вод. Все организмы, способные осаждать эти компоненты из подземных вод, можно разбить на четыре основные группы [17].
Первую группу составляют железо- и марганцевые бактерии, способные использовать энергию окисления закисных соединений Fe и Мп по уравнению
4Fe(HCO3)2 + 6Н2О+О2---->
--------------------> 4Fe(OH)34-4H2CO3+4COa+1,8-106 Дж, 4МпСО3+О2-----------> 2МпО + 2СО2 + 2,34- 10е Дж.
Сюда относятся Leptothrix ochracea, Gallionella, Siderococcus и другие железобактерии автотрофного образа жизни. Длина отдельных разновидностей нитчатых железобактерий (Leptothrix ochracea) достигает 1 см. Они могут прикрепляться к субстрату и вести плавающий образ жизни, по существу производя хемосинтез.
Ко второй группе относится ряд гетеротрофных организмов, покрытых слизистой оболочкой, которая может адсорбировать из раствора окисные или закисные соединения, пропитывать их гидратом окиси Fe или Мп. Энергия, выделяющаяся при окислении этих соединений, организмами не используется. Сюда относится ряд нитчатых бактерий из рода Cladothrix.
К третьей группе могут быть отнесены организмы, которые способны использовать органические соединения гуматов железа. Типичный представитель этой группы Siderocapsa treubii. Эти бактерии, используя для своего питания органическую часть гуминового комплекса, осаждают освобождающееся железо на своей поверхности.
К четвертой группе относятся представители высшей водной растительности и нитчатых водорослей, например Conferva. Во время интенсивного фотосинтеза они используют углекислоту бикарбонатов железа, кальция и марганца. При этом сильно подщелачи
140
вается окружающая среда и из раствора выделяются марганец и железо в виде гидратов окиси.
Железобактерии характеризуются следующими физиологическими особенностями: способностью оказывать каталитическое действие на процесс перевода закиси железа в окись, интенсивным выделением огромного количества гидрата окиси железа, основного продукта их окислительной работы. Они обычно не нуждаются в органических питательных веществах, присутствие которых в больших количествах угнетающе действует на их развитие. Все они предпочитают низкую температуру, свет не играет особой роли в жизнедеятельности железобактерий: они лучше размножаются в темноте. Существование железобактерий связано с наличием в воде растворенных закисных соединений. Наиболее благоприятна для развития железобактерий слабокислая реакция, но они могут развиваться при почти нейтральной реакции.
Все указанные условия характерны для состава подземных вод первых от поверхности земли водоносных горизонтов, приуроченных обычно к аллювиальным, флювиогляциальным и пролювиальным отложениям и в максимальной степени используемых для водоснабжения и предотвращения подтопления городских и промышленных территорий дренажными сооружениями.
Нахождение железо- и марганцевых бактерий в горизонтальном дренаже детально изучено 3. Я- Хруцкой[32]. Экспериментальными исследованиями заиления горизонтального дренажа в пойме р. Яхромы Московской области установлено, что железистые осадки, являющиеся основной причиной выхода дренажа из строя, представлены продуктами жизнедеятельности железобактерий. Причем в составе осадков присутствуют следующие виды железобактерий: Leptothrix trichoqenes, Leptothrix ochracea, Gallio-nella ferruquinea, Leptothrix crassa.
При работе скважин вертикального дренажа в зоне подпора Каховского водохранилища (Каменский, Знаменский, Никопольский вертикальные дренажи), скважин вертикального дренажа на Горьковской ГЭС в фильтрах и водоподъемных трубах обнаружены продукты жизнедеятельности железо- и марганцевых бактерий, в основном Siderocapsa и Sideromonas. Вертикальные дренажи в обоих случаях каптируют аллювиальные водоносные отложения Днепра и Волги.
Интенсивный биологический кольматаж был зафиксирован на водозаборах Курска, каптирующих аллювиально-сеноман-альбские пески в пойме р. Сейм. Здесь на одном из водозаборов хозяйственно-питьевых вод вследствие кольматажа железистыми отложениями скважины выходят из строя в течение 2—3 лет. На другом водозаборе для промышленных целей, состоящем из 14 скважин глубиной 60 м, за 3—4 года эксплуатации толщина слоя коллоидной гидроокиси железа на дне водосборного резервуара достигает 20—25 см. Цри этом отмечено, что железистые образования формируются непосредственно в водозаборных скважинах.
141
Железобактерии и продукты их жизнедеятельности были обнаружены на фильтрах и водоподъемных трубах водозабора «Балтэ-зерс» в Риге и на многих других объектах. Так, в Венгрии на водозаборе г. Мишкольца .[42] были исследованы причины снижения производительности скважин диаметром 1200 мм. Расход воды, отбираемой из скважины, в течение 5 лет снизился с 48 до 3 м3/ч. При опытных работах вскрывали фильтр и гравийную обсыпку шахтой размером 3x3 м, отбирали пробы водоносных пород и кольма-танта и проводили их химический и микробиологический анализы. Данные анализа 52 проб, отобранных на различных высотах и расстояниях от фильтра, показали, что большая часть кольматанта представлена гидроокисью железа.
В большинстве проб обнаружено значительное скопление железо- и марганцевых бактерий, а также продуктов их жизнедеятельности. Наиболее распространены Gallionella, Leptothrix, Sphoero-tinus. Исследования показали, что в водоносных породах и подземных водах содержатся автотрофные и гетеротрофные бактерии железа. В ходе этих работ невозможно было оценить значение каждого из факторов, определяющих кольматаж скважин (биологического и химического), но отмечено, что зона кольматажа имеет неправильные очертания и продукты деятельности железобактерий прослеживаются на значительном удалении от скважин.
Наиболее детальные исследования условий развития железо- и марганцевых бактерий в скважинах были проведены в ФРГ, где актуальность этой проблемы связана с тем, что более 50% общего отбора подземных вод для различных целей осуществляется береговыми водозаборами и водозаборами с системами искусственного пополнения запасов подземных вод. Так как важно определить оптимальные условия развития железобактерий и прогноз биохимического кольматажа скважин, существенный интерес представляют результаты полевых экспериментальных исследований береговых и инфильтрационных водозаборов подземных вод.
В процессе биологических исследований в водозаборные и наблюдательные скважины в различных гидрогеологических условиях устанавливали предметные стекла в интервалах фильтра. Большинство бактериологических анализов проводили на месте отбора пробы воды и извлечения предметного стекла. Кроме того, часть проб фиксировали формалином и анализы делали в лабораторных условиях. Количественные исследования интенсивности биологической деятельности были затруднены вследствие кристаллизации продуктов жизнедеятельности бактерий и отложения связных конгломератовидных образований.
Параллельно с изучением бактериологической активности интенсивность накопления кольматирующих отложений контролировали путем подводного фотографирования труб и фильтров, исследованием химического состава подземных вод. По отобранным пробам определяли электропроводность воды, pH, окисляемость, концентрацию свободных и связанных СО2, О2, Са2+, Mg2+, Cl-, SO42-, Fe3+, Fe2+, Mn2+, иногда — содержание NH4, NO2, NO3.
142
Полевые исследования проводили на шести водозаборах, где был зафиксирован кольматаж скважин: в Берлине (водозабор «Юнгфернхайде»), Ханау, Хюнксе, Крефельде, Мангейме (водозабор «Кэффератль»), Менхенгладбахе, а также на двух водозаборах, где не было отмечено кольматажа скважин: в Хальтерне и Нордхорне. В каждом случае опытные работы были поставлены на двух скважинах с одинаковыми конструкциями фильтров. Опытные скважины находились в эксплуатации короткие промежутки времени.
Бактериальный состав определяли до пуска их в эксплуатацию и в процессе водоотбора.
Несмотря на разнообразие гидрогеологических условий и химического состава подземных вод, в кольматирующих фильтры образованиях присутствуют близкие виды железо- и марганцевых бактерий. В скважинах, характеризующихся благоприятными гидравлическими параметрами и имеющих производительность менее 90 м3/ч, отмечается интенсивный кольматаж, зафиксированный путем гидрогеологического опробования и фотографирования внутренней поверхности фильтров и обсадных труб.
Для практических целей важно знать необходимые условия развития железобактерий с тем, чтобы иметь возможность прогнозировать биологический кольматаж скважин и назначать специфические в этом случае способы их регенерации. Для развития железо-и марганцевых бактерий величина pH должна находиться в пределах 5,4—7,2. Содержание Fe2+ в воде не должно быть меньше 1,5 мг/л и не превышать 10—12 мг/л, так как при концентрации закисного железа более 14 мг/л рост бактерий невозможен. Подземная вода должна содержать углекислоту. Железо- и марганцевые бактерии — аэробы. О нижней предельной концентрации кислорода, необходимой для их существования, сведений не имеется. Исключение составляет Leptothrix crassa, которая развивается при большом содержании кислорода вблизи поверхности воды.
В исследованных скважинах величины pH и концентрации Fe2+ находились в пределах области наиболее благоприятного развития бактерий. Только в Хальтерне не была достигнута нижняя граница содержания Fe2+, однако и здесь обнаружены некоторые виды бактерий в небольших количествах. В изученных скважинах бактерии появлялись при концентрации кислорода 5 мг/л. Такое содержание не является самым низким, так как в подземных водах всегда присутствуют сульфаты и нитраты, которые при разложении их сульфатредуцирующими и денитрифицирующими бактериями освобождают кислород [38]. Такие явления прослеживались на вертикальном дренаже Горьковской ГЭС, где практически в подземных водах сульфаты были полностью восстановлены и, несмотря на большое содержание Fe2+ и сероводорода, железобактерии интенсивно развивались.
Ранее указывалось на зависимость интенсивности развития железобактерий от величины окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ).
В табл. 48 приведены данные о величинах Eh на различных опытных участках и об интенсивности кольматажа, полученные на основе осмотра фильтров, водоподъемных труб и подводного фотографирования. Характерно, что во всех случаях, где регистрируется положительная величина Eh, максимально развиваются железо-и марганцевые бактерии. В этих же случаях отмечается максимальная концентрация продуктов жизнедеятельности бактерий — гидроокиси железа. Отрицательная величина Eh зафиксирована в
ТАБЛИЦА 48
Характеристика кольматажа скважин в зависимости от окислительно-восстановительных условий
Название водозабора или дренажа Номер скважины Eh. мВ гН pH Характеристика кольматажа
Каменский на Каховском 183 +80 17,56 7,4 Интенсивное отложение
водохранилище Знаменский на Кахов- 38 +50 16,12 7,2 кольматанта То же
ском водохранилище Курский 18 + 150 18,78 6,8 >
«Балтэзерс» (Рига) 92 +40 15,78 7,2 Кольматаж средней интен-
«Мангейм-Кэфферталь» 18 +89 18,11 7,55 сивности Интенсивное отложение
«Ханау» 24 +114 19,06 7,6 кольмантанта То же
2 + 109 17,39 6,85
1 + 139 18,10 6,7
«Нордхорн» 29 —91 10,42 6,75 Чистый фильтр
«Хюнксе» 5 +64 16,37 7,1 Отложения средней интен-
6 +99 17,75 7,2 снвности То же
«Менхенгладбах» 4 +204 20,1 6,6 Интенсивное отложение
5 +230 21,18 6,7 кольматанта То же
«Крефельд» 1а +74 16,70 7,1
2а +100 17,38 7,0
скв. 29 в Нордхорне. Здесь обнаружены некоторые виды железобактерий. Однако отложения гидроокиси железа практически отсутствуют.
Контрольные исследования влияния отрицательной величины Eh на кольматаж скважин были проведены с использованием подводного фотографирования на водозаборах «Белитцхоф» и «Юнгферн-хайде» [38]. За исключением двух случаев (скв. Е-1.-8 на водозаборе «Юнгфернхайде» и скв. 21 в «Белитцхофе», в которых при положительных значениях Eh в течение 6—11 лет эксплуатации отложения гидроокиси железа практически отсутствуют) показатель Eh свидетельствует о возможности биологического кольматажа (табл. 49).
Как показало фотографирование, в течение 5—6 лет эксплуатации фильтров в скважинах с отрицательными значениями Eh не обнаружено отложений железа (исключение составляют скв. 12 и
144
13 водозабора «Белитцхоф»). Предельные значения Eh, при которых прекращается развитие железо- и марганцевых бактерий, близки к —10 мВ. Однако неопределенной остается область ±20 мВ,, что значительно больше возможной ошибки в определении Eh, равной ±5 мВ. Критерием, определяющим более точно возможность развития железо- и марганцевых бактерий, является показатель
ТАБЛИЦА 49
Характеристика кольматажа скважин на водозаборах «Белитцхоф» и «Юнгфернхайде»
Названые водозабора Номер скважины Eh, мВ гН pH Год ввода скважины в эксплуатацию Год фотографирования Состояние скважины
«Белитц- 22 —36 13,64 7,43 1955 1961 Нет отло-
хоф» 21 ±4 14,99 7,43 1955 1961 женин же-
20 —36 13,58 7,40 1955 1961 лезистых
19 —36 13,56 7,39 1955 1961 соединений
18 —40 13,54 7,45 1955 1961
17 —26 13,88 7,38 1954 1964
16 —26 13,94 7,41 1954 1964
15 -36 13,66 7,44 1954 1964
14 —41 13,51 7,45 1954 1964
13 —31 13,73 7,39 1954 1964 Начало
12 —6 14,52 7,36 1954 1964 кольматажа
11 0 14,92 7,46 1954 1964 Нет кольма-
10 —31 13,77 7,41 тажа
«Юнгферн- 1 ±19 15,50 7,43 1962 1963 Отложения
хайде» 2 ±64 17,00 7,42 1962 1963 железа
Е-11-1 —51 13,25 7,49 1960 1963 Нет отло-
женин
Е-11-6 —11 13,94 7,16 1960 1964 То же
Е-1-1 —21 14,19 7,45 »
Е-1-2 —22 14,44 7,41 1956 1963
Е-1-8 ±19 15,34 7,35 1957 1963 »
Е-1-9 ±49 16,43 7,39 1958 1963 Отложения
Е-1 10 ±194 21,20 7,32 1958 1963 железа
Е-1-11 ±169 20,36 7,32 1958 1963 То же
Е-1-12 0 14,72 7,36 1958 1963 »
«Ваболю» 1 ±123 19,40 7,60 1965 1966
давления недиесоциированных водородных ионов в воде, связывающий Eh и pH:
гН = Eh/0,029+2рН. (III.16)
Это соотношение справедливо при rH=5-s-25. Все приведенные в табл. 48 и 49 значения гН находятся в этом диапазоне. Если проанализировать параметры химического состояния подземных вод,, можно отметить, что в скважинах, в которых кольматаж не проявляется, величина гН меньше, чем в кольматируемых. Величина гН, ниже которой железобактерии не развиваются, равна 14,5. Отклонения зафиксированы по четырем из приведенных скважин, но они
10-643
145
не превышают ±0,8 гН, так что разброс может приниматься равным ±1гН. Важно отметить, что скважины, в которых проявляется биологический кольматаж, характеризуются более высокими значениями гН (см. табл. 48).
В общем случае для массового развития железо- и марганцевых бактерий необходимо выполнение следующих условий.
1. Наличие железо- и марганцевых бактерий.
2. Наличие Fe21 или Мп2+ в подземных водах. Минимальная концентрация, равная 1,6 мг/л, может быть принята в расчет только для условий застойной воды. В проточной воде железобактерии развиваются и при меньшей концентрации железа.
3. Окислительно-восстановительные условия должны характеризоваться величинами Eh>—10 мВ±20 мВ, а гН>14,5±1. Процесс развития бактерий интенсифицируется с увеличением скорости фильтрации, так как в этом случае возрастает интенсивность поступления питания (Fe2+, М2+) к бактериям.
В последнее время [44] обнаружена тесная корреляционная связь по ряду береговых водозаборов в Нидерландах между интенсивностью кольматации скважин и количеством сульфатредуци-рующих бактерий в подземных водах. Наиболее активно процесс кольматации прослеживается при содержании более 25 колоний сульфатредуцирующих бактерий в 100 мл воды.
Тенденция подземных вод к биологическому кольматажу скважин может быть определена на основе комплексных биологических и химических исследований. Для биологических исследований в скважинах при опытно-фильтрационных работах необходимо устанавливать предметные стекла и выдерживать их там в течение четырех недель. После этого стекла извлекают и анализируют под микроскопом. Параллельно проводят химические анализы подземных вод. На основе обобщения результатов бактериологических и химических анализов подземных вод может быть сделан вывод о возможности биологического кольматажа фильтров и прифильт-.ровых зон скважин.
При получении сведений о возможности развития железобактерий в фильтре и прифильтровой зоне скважин следует предусматривать профилактические мероприятия по поддержанию их стабильной работы. Наиболее просто периодически хлорировать скважины с остаточной концентрацией хлора 5—7 мг/л. При этом возможна подача воды с хлором из напорного водовода (при снятом обратном клапане погружного насоса). После введения раствора хлорной извести в скважину целесообразно включить насос на 30—50 с и затем отключить его с тем, чтобы обработался не только фильтр, но и прифильтровая зона скважины. Однако периодичность хлорирования фильтров скважин для подавления деятельности железо- и марганцевых бактерий необходимо устанавливать конкретно для каждого объекта работ. По имеющимся данным, хлорирование целесообразно осуществлять 1 раз в 3—4 мес.
Более устойчивый эффект на длительные периоды времени обеспечивает установка в фильтре специального источника гамма-лу-•146
чей [37]. В качестве такого источника опробовано применение радиоактивного кобальта и цезия, помещенных в герметично закрытом излучателе. Защитное действие гамма-облучения против биологического кольматажа скважин обеспечивается при интенсивности излучения 1 Дж/(кг-ч).
§ 25. Зависимость проницаемости пористых сред от насыщенности порового пространства кольматантом
Известно, что накопление осадка в порах пористой среды обусловливает изменение ее структурных показателей и вызывает снижение проницаемости. Поэтому для разработки рекомендаций по режиму работы скважин необходимо установить зависимость между степенью насыщения порового пространства кольматантом и изменением проницаемости пористых сред.
Степень кольматации пористой среды обычно выражается через величину насыщенности порового пространства осадков (а) или удельный объем отложений (Ь), которые определяются по формулам
а = b/n0; b = п0—и, (III. 17},
где п0 — начальная пористость среды; п — текущая пористость.
ТАБЛИЦА 50
Теоретические зависимости проницаемости пористой среды от ее насыщенности
Тип модели klk^Unc, л) =/(«<,, Ь/л»)
Капиллярная (п/п0)2 (1 -Ь!п0)*
Из сферических пор Из пор, образуемых системой стержней Из пор, образуемых сферическими зернами (п/П0)3(1 — n0/l — П)1/2 (n/n0)3(l — n0/l —-n)2/3 (1 (1 -6/По)3 (1 — b/n0)3 — Ь/п0)ъ13 [ 1 - пв ]Й*
1 — л0(1 — b/h0)J Г 1-п0 Р/=1;
1 — n0(l —/>/Лв)]
Имеется ряд экспериментальных и теоретических зависимостей, устанавливающих связь изменения величины проницаемости с насыщенностью а или удельным объемом отложений Ь. Теоретические зависимости получены на основе построения модели среды с условно заданной геометрической структурой. Ряд таких зависимостей приведен в табл. 50.
Детальные теоретические и экспериментальные исследования по установлению зависимости klkG=f (а) были выполнены Д. М. Мин
10*
14Т
цем. В обоснование этой зависимости им была положена формула Козени — Кармана
/г//г0 = (w0/w)2 (ti/ntf, (III. 18)
учитывающая изменение пористости п в процессе кольматажа и удельной поверхности пористой среды w.
Среди экспериментальных зависимостей наиболее известны •формулы Ю. М. Шехтмана
^ = (1~W (III.19)
и В. Мацкрле
k/k0 = (l — a). (III.20)
Д. М. Минцем было показано, что изменением удельной поверхности w можно пренебречь. Поэтому формула (III. 18) примет вид ______z
Л/^ = (п/п0)'«=(1-Ь//г0)т, (III.21)
где т — показатель степени (/и=2,8-т-3,3).
РИС. 55. Зависимость проницаемости пористых сред от насыщенности порового пространства кольматаитом:
1 — по В. Мацкрле; 2 — по Стейну и Кэмпу; 3 — по Леклеру и Герцигу; 4 — по Д. М. Минцу; 5 — по Ма-руду; 6 — по Ю. М. Шехтману
РИС. 56. Зависимость изменения проницаемости в процессе кольматажа (по данным Г. М. Коммунара):
1 — по данным Д. М. Минца и В. 3. Мельцера; 2 — опыты Г. М. Коммунара по кольматации фильтра суспензией Ре(ОН)з;
3 — опытная кривая; 4 — линейная аппроксимация опытных данных
На рис. 55 приведены графики klko—f{a), построенные по различным формулам.
Для уточнения зависимости изменения коэффициента фильтрации от количества отложившегося осадка во ВНИИВОДГЕО была проведена специальная серия опытов по кольматации однородной зернистой среды. В качестве кольматанта использовалась суспен
148
зия гидроокиси железа. Опыты проводили в фильтрационной колонне.
По окончании каждого опыта колонну разбирали по секциям и осадок отмывали от зерен фильтрового материала. Величину а определяли после 10 ч отстаивания взвеси в мерных колбах.
На рис. 56 приведен график изменения klko в зависимости от а, построенный по уравнению (Ш.21) при значениях т=2,8+3,3. На этот график нанесены данные опытов с Fe(OH)3 в диапазоне изменения а от 0 до 0,6. При а=0,5 ч-0,8 приведены опытные данные, заимствованные из работы Д. М. Минца, В. 3. Мельцера. Данные опытов хорошо согласуются с расчетами по уравнению (III.21) практически во всем диапазоне изменения а.
При о<0,4 формула (III.21) может быть переписана в виде
^0=1—2b/n0. (III.22)
На рис. 56 проведена прямая, построенная по уравнению (III.22), которая, как видно, удовлетворительно коррелируется с данными опытов.
§ 26. Исследование и характеристика состава и структуры осадков в пористой среде и на фильтрах скважин
Закономерности формирования состава и структуры кольматирую-щих отложений в прифильтровых зонах скважин исследованы слабо. Это связано с трудностями непосредственного отбора проб осадков из прифильтровой зоны скважин, поэтому большинство анализов осадков произведено по пробам, отобранным с извлеченных фильтров или водоподъемного оборудования. Вскрытия фильтров и прифильтровых зон скважин горными выработками пока единичны. Впервые они были осуществлены на Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС, позднее на Лебединском карьере КМА. Интересен опыт вскрытия водоприемной части водозаборной скважины в районе г. Мишкольца (ВНР) [42].
Массовые анализы осадков, взятых с фильтров и из прифильтровых зон, а также изучение устойчивости различных составляющих подземных вод при изменении гидродинамических условий показали, что в составе кольматирующих отложений преобладают Fe(OH)3, СаСО3, Mn(OH)2, Mn(OH)4, SiO2, серо- и фосфорсодержащие соединения. Кольматирующие отложения характеризуются различной плотностью, что обусловлено разнообразным составом осадков и длительностью их нахождения на фильтре.
• В абсолютном большинстве случаев при каптаже вод в системах хозяйственно-питьевого назначения, при работе дренажных скважин систем защиты от подтопления и осушения горных выработок осадки представлены в различной степени дегидратированными гидроокислами железа. При нахождении в области питания
149
водоносного горизонта заболоченных территорий в составе осадков могут преобладать сульфиды металлов, главным образом сульфиды железа. Это обстоятельство, как и возраст, играет важную роль при выборе реагента при регенерации скважин и технологии регенерации.
Вскрытия прифильтровых зон скважин свидетельствуют о том, что радиус зон, в которых сказываются кольматационные процессы, не превышает 0,5 м. При этом интенсивность процессов кольматации существенно уменьшается с увеличением расстояния от стенки фильтра. Это подтверждается результатами петрографических исследований отложений в прифильтровой зоне скважин Лебединского карьера КМА, начатых ВНИИВОДГЕО и более детально проведенных в ВИОГЕМе. Необходимо отметить, что кольмата-ция фильтров и прифильтровых зон водопонизительных скважин происходила в сложных условиях каптажа водоносного горизонта в сеноман-альбских песках и переотложения в гравийной обсыпке меловых пород, обрушившихся в интервал установки фильтра.
Максимальную плотность и наихудшие фильтрационные свойства имеет слой породы, непосредственно прилегающий к фильтру. В этой зоне кольматирующие фильтр осадки представляют собой песчано-гравийную фракцию, скрепленную новообразованным цементом. Толщина кольматанта достигает 1—2,5 см. Кольматант слоист, выделяются четко три слоя: первый на контакте с фильтром имеет темно-бурый цвет, толщина его 0,3—1,3 мм; второй — желто-бурый толщиной 0,2—1 см; третий — зеленовато-желтых и серовато-желтых тонов толщиной 0,1—1 см. Границы между зонами меняются от резких до нечетких с извилистым контуром. Более четко наблюдается граница между .первым и вторым слоем.
По данным количественного подсчета, содержание гравия в шлифах колеблется от 50 до 89%, песка — от 49 до 12%. Кольматирующие осадки частично или полностью заполняют поровое пространство и представляют по своей структуре цемент соприкосновения поровый, полубазальный, местами базальный, ширина каемок между обломками 0,02—0,1 и до 0,2 мм.
Кольматант по составу двухкомпонентный, сложен карбонатами кальция и гидроокислами железа. Эти составляющие присутствуют во всех трех слоях, в пределах которых меняются их количественные соотношения. Форма зерен карбоната изометрично-не-правильная, иногда ромбовидная, удлиненная. Нередко отмечаются элементы крустификационной структуры — щетковидного нарастания кристаллов карбоната на зерна гравия. Какой-либо зависимости степени кристалличности карбоната от удаленности фильтра не отмечается. Можно предположить, что кристалличность карбонатов обусловливается размерами пор, в которых происходило осадконакопление. С определенной долей условности можно считать, что обнаруживается тенденция некоторого повышения кристалличности карбоната в направлении удаления от фильтра, однако часто наблюдается отклонение от этой тенденции.
В результате иммерсионных исследований было установлено,
150
что карбонат независимо от слоя всегда представлен кальцитом. Железистый компонент — это непрозрачная масса аморфного строения. Гидроокислы железа постоянно образуют каемки вокруг зерен, а далее наблюдаются отложения карбоната. В порах кальцит и гидроокислы железа располагаются неравномерно, пятнисто. Изучение количественного состава показало, что содержание гид-роокислов железа равномерно уменьшается при удалении от фильтра. В первом слое оно составляет 50—75%, во втором — 30— 50%, в третьем — 19—20%. По боковой поверхности фильтра максимальное количество гидроокислов железа наблюдается на участках, наиболее удаленных от входных отверстий (в среднем 49%), затем уменьшается до 36% и на участке входного отверстия увеличивается до 45%- Таким образом, карбонат кальция является общим для всех трех слоев, а содержание гидроокислов железа уменьшается при удалении от фильтра.
Проявляющаяся зональность отложения кольматанта в прифильтровой зоне скважины может быть следствием увеличения скоростей вблизи фильтра, лучших условий аэрации отбираемой воды и каталитического воздействия коррозионных отложений стального фильтра.
Исследованиями, проведенными на водозаборе «Балтэзерс» [13], доказана возможность идентификации состава кольматирующих отложений по осадкам на водоподъемном оборудовании. В значительной степени это положение применимо и в отношении минералогического состава кольматанта. Прослеживая эту аналогию ня Велижанском водозаборе в Тюменской области [15], каптирующем атлыммихайловский водоносный горизонт, можно отметить ряд важных структурных минералогических особенностей осадков. Скважины водозабора к моменту обследования эксплуатировались 5—8 лет. Подземные воды Велижанского участка по химическому составу относятся к гидрокарбонатным кальциевым с минерализацией до 0,6 мг/л. Содержание закисного и окисного железа в водах соответственно изменяется от 1,7 до 4,0 и от 0,2 до 0,5 мг/л при значениях pH = 6,7-ь 7,2. Значения показателя стабильности вод Ризнера лежат в интервале 7,6—9,11.
Химический анализ шести образцов кольматанта, снятого с по- ' гружных насосов скважин Велижанского водозабора, свидетельствует о сложном его составе. Высокие потери кольматанта при прокаливании до ПО °C (17,33—26,7%) показывают, что они обусловлены наличием гидроокиси и карбонатов металлов. Вместе с тем высокое содержание окисного железа (31,09—42,52%) позволяет предполагать, что основной компонент, слагающий кольматант, относится к гидроокиси железа. Повышенное содержание окиси кальция (8,3—11,0%) указывает на присутствие в кольматанте карбоната кальция. Выявлены также соединения фосфора, содержание его екислов в образцах колеблется в пределах 18,19—26,25%. Такое количество фосфора в кольматанте связано со специфическими условиями осадкообразования на фильтрах и в прифильтровых зонах скважин Велижанского водозабора.
Низкое содержание SO3 (<0,4%) и МпО (<0,17%) во всех образцах свидетельствует о незначительной роли гидроокиси марганца и сульфидов металлов в осадкообразовании. Несколько большую роль в этом процессе играют силикатные соединения (<3,6%). Повышенное содержание окиси кремния (11,28%) связано с процессом привлечения кольматантом мелких частиц песка в период пескования скважин. Установлено, что основными коль-матирующими соединениями являются гидроокись железа (30— 40%), нерастворимые соединения фосфора (18—23%) и карбонат кальция (18—11%).
Минеральный состав кольматанта изучен с помощью рентгеноструктурного, термического анализов и ИК-спектроскопии [15]. Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что образцы кольматанта практически рентгеноаморфные. Аморфное вещество представлено в виде гидрогеля окислов железа. Возможно, присутствуют гётит и гидрогётит. Данные ИК-спектроскопии подтверждают наличие в пробах фосфатсодержащих минералов. ИК-спектр образцов аналогичен спектру фосфатсодержащего минерала окси-черченита.
Термограммы образцов кольматанта и их состав определены на основании полученных кривых дифференциально-термического (ДТА) и термогравиометрического (ДТГ) анализов и подтверждены данными химического анализа. Первый интенсивный эндотермический эффект в интервале температур 100—200 °C связан с диссоциацией аморфной гидроокиси железа, с выделением адсорбционной и химически связанной воды. Потери массы образцов за счет удаления воды составляют 30%. Незначительные экзотермические эффекты при 280—300 °C, 680—700 °C соответствуют кристаллизации геля и окислению закисного железа. Эндотермический эффект при 350—400 °C обусловлен выделением связанной воды из минералов типа цефаровичит, разложением окислов железа и фазовыми превращениями. Третий эндоэффект при 600 °C обязан диссоциации минеральных соединений типа аугелитоксикерченита. Потери массы за счет второго и третьего эндоэффектов составляют не более 5% от общей массы образцов.
Аморфный характер состояния образцов кольматанта не позволил дать более точную и достоверную идентификацию минерального вида, тем более что химический состав его не всегда удовлетворительно увязывается с формами кривых термического анализа; Кольматант представляет собой комплексный гель фосфатно-железистого состава с неустановившимися границами между минеральными разновидностями: гидроокись железа — цефаровичит — аугелитоксикерченит, сорбировавший на себе ряд рассеянных элементов.
А. Д. Лобачевым и другими исследователями обращено внимание на закономерность фосфатно-железистой ассоциации на фильтрах скважин, отмеченной исследованиями И. М. Страхова, показавшего, что в континентальной части геохимического цикла фосфор тяготеет к железу, с которым обычно переносится и осаждает
152
ся Выпадению фосфатов способствует и уменьшение их растворимости при увеличении щелочности, что обычно наблюдается при отборе воды из скважин как следствие десорбции углекислоты.
Сложные ассоциации минералов, возникающие в прифильтровых зонах скважин, труднопредсказуемы. В частности, реализация предложений Бэрнеса и Кларка по прогнозу состава железосодержащих соединений может считаться лишь первым приближением, несмотря на достаточно обоснованный термодинамический подход к решению этой задачи. Обобщенные данные о составе осадков приведены в табл. 51.
В общем же случае представляется целесообразным при обосновании наиболее рационального способа регенерации скважин наряду с термодинамическими расчетами устойчивости железо-, серо-, фосфор- и карбонатсодержащих соединений с целью оценки предполагаемого состава осадков проверить результаты теоретических расчетов путем анализа состава осадка, взятого с водоподъемного оборудования.
Диагенез первоначального аморфного осадка в прифильтровой зоне скважин приводит к приобретению им кристаллических свойств, дегидратации, увеличению прочности. Радиус зон кольматации не превышает 0,5 м, максимальная плотность осадков и цементирующих отложений наблюдаются вблизи фильтра. Зоны кольматации неоднородны по вертикали, в разной степени насыщена пористая среда цементирующими отложениями. Однако исследования позволяют схематизировать задачу о кольматации и регенерации скважин рассмотрением некоторой кольцевой зоны, коаксиальной фильтру скважины, в которой концентрируются процессы кольматации с существенным их затуханием к периферии.
Очевидна большая интенсивность отложения осадков не только вблизи фильтра, но и в его верхней части. Прочностные характеристики осадка снижаются при уменьшении степени насыщения гравийной обсыпки (водоносных пород) кольматантом. Следовательно, при прогнозе кольматации скважин и разработке технологии их регенерации можно ориентироваться на относительно небольшие по размеру зоны, что позволяет выявить и обосновать наиболее эффективные восстановительные мероприятия.
§ 27. Гидродинамические методы прогноза кольматажа скважин
Исследование кинетики кольматажа скважии
Приведенные результаты обследования скважин путем вскрытия призабойных зон и извлечения фильтров указывают на то, что максимально кольматируются породы, непосредственно примыкающие к фильтру скважин, а по мере удаления от скважины наблюдается постепенное уменьшение количества отложений. Наблюдаются и такие случаи, когда отложения формируются только на внешней поверхности фильтра скважин и в глубь водоносного пласта не распространяются.
153
ТАБЛИЦА 51
Данные о составе осадков на фильтрах и в прифильтровых зонах скважин йа воду
Номер скважины Месторасположение скважины Водоносный горизонт Продолжительность эксплуатации, лет Место отбора пробы Компоненты осадка, % Потери при прокалив а- НИИ, % Нерастворимый осадок, %
FeaOg Ai-jOg СаО MgO МпО so4a<- S
2692 Наровский район, колхоз «Память Кирова» Q 12 Прифильт-ровая зона 80,46 1,21 1,63 0,2 0,13 0,26 0,10 12,57 —
2316 Знаменский район, совхоз «Александровский» N 13 48,43 7,1 16,97 0.87 0.12 1,49 1,15 17,05 —
4307 То же, колхоз «Ленинский путь» N 6 80,57 0,65 3,04 0,2 0,03 0,1 0,10 15,4 —
4346 Токаревский район, колхоз «Память Ильича» N 6 72,46 0,32 5,21 0,2 0,28 3,18 1,01 18,3 —~~
5156 То же, с. Токарев-ка N 2 77,67 0,44 4,54 0,2 0 16 3,24 0,54 15,77 —•
1974 Знаменский район, колхоз «Кузьминский» n2 14 40,24 1,57 33,3 0,6 0,16 3,47 2,43 26,9
4482 То же, с. Кариан n2 5 74,94 0.76 4,4 0,2 0,19 3,50 1,87 22,0 ——1
3864 Мучканский район, колхоз «Ленинский путь» Q — Kt 8 67,21 1,01 8,63 0,2 0.17 3,53 5.63 19.98 —
ЗС08 Знаменский район, колхоз «Заря Коммунизма» N-Ki 11 76,71 0,43 6,76 0,2 0,37 3,70 3,11 16,76 —
3609 Никифоровский район, совхоз «Большевик» N-Ki 9 54,02 0,81 20,25 0,30 0,16 3,00 2,35 24,54 —
5273 Тамбовский район, совхоз «Андреевский» N—Ki 2 То же 78,88 0,65 3,20 0,2 0,09 0,80 0,43 16,28 —
5166 Мучканский район, колхоз «Страна Советов» К2 Нет данных 48,82 9,96 4,37 0,2 0,1 4,86 3,06 15,79 —
5183 Кирсановский район, колхоз «Память Ильича» К2 12 50,33 2,56 18,5 0,2 0,18 5,08 2,61 21,79 —
3588 Инжавииский район, совхоз «Землянский» Ki-K2 9 74,78 1,45 4,54 0,2 0,05 4,20 1.49 19,48 —
509 Пшаевский район, совхоз «Рудов-ский» Ki 22 79,53 0,49 5,30 0,2 0,04 0,59 0,88 16,88 —
2180 Кирсановский район, колхоз «Россия» Ki 14 43,71 1,07 28,29 0,2 0,26 5,17 ’4,10 19,50
3213 То же, колхоз «Знамя Коммунизма» Ki 13 72,26 1,03 3,85 0,2 0,15 7,27 6,23 23,7
2297 Кирсановский район, колхоз «Россия» Ki 13 56,99 3,47 13,47 0,2 0,18 4,64 2,43 16.92
3519 Уметский район, колхоз им. XXI партсъезда К, 9 71,20 2,62 7,82 0,51 0,12 0,76 0,27 16,40 —
3559 То же, совхоз «Ветеринарный» К1 10 36,0 5,С6 33,22 1,29 0,23 4,10 3,96 27,86
3891 Инжавииский район, колхоз им. Кирова К1 8 82,65 1,43 3,36 0,2 0,14 2,55 0,85 13,49 —'
Продолжение табл. 51
СИ . —
[Номер скважины М есторасположе-нне скважины Водоносный горизонт Продолжительность эксплуатации, лет Место отбора пробы Компоненты осадка, % Потери при прокаливании, % Нерастворимый осадок, %
Ие2Оз А1зОз СаО MgO МпО so42t- s
4181 4577 4589 4652 4672 193 199 242 244 293 296 129 15 19 311 Уметский район, совхоз «Ветеринарный» Мучканский район, п. Мучкан Кирсановский район, с. 1-я Гавриловна То же, колхоз «Память Ильича» То же, с. 2-я Гавриловна Замоскворецкий вертикальный дренаж То же » » Система водопонижения Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС То же Система водопонижения Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС То же » » К1 к. К1 к> К1 Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q 7 5 5 5 5 18 16 14 15 4 5 4 2 2 3 Прифильтро-вая зона Водоподъемное оборудование То же » » Обсадная труба Насос » » » Фильтр 39,29 94,63 54,07 20,97 70,01 68.0 68,4 69,0 70,0 58,69 52,23 55,70 64,20 68,60 47,95 2,16 1,57 2,70 2,24 0,79 24,79 3,60 21,95 40,52 8,61 5,2 6.8 5,4 6.4 4,68 0,7 6,07 3,32 3,3/ 16,41 0,40 0,2 0,2 0,58 0,2 0,25 0.30 0,17 0.19 0..33 0,22 0,46 0.25 0,42 0,22 0,128 0.115 0,175 0,40 0,17 0,15 0,14 0,17 0,3 0,58 0,65 0.06 0,03 5,53 0,365 2,42 2,46 2,96 1,8 0,13 1,55 2,34 6,55 23,16 15,71 21,25 31,04 21,26 13,4 10,1 14,0 10,7 17,48 44,81 32,82 12,02 10,49 35,40 2,56 2,11 1,7 2,3 0,41 0,54 0,88 7,25 3,64
К и — 309 309 2 17 18 173А 256 15 27 35 44 75 105 125 142 174 199 СП » Система водопонижения Керченского сухого дока То же » Система осушения Соколовско - Сар-байского горио-обогатительного комбината То же Дренажная система из самоизли-вающихся скважин Краснодарского водохранилища Дренажная система из самоизли-вающихся скважин Краснодарского водохранилища То же » Q Q Q Q Q Ktfm Кет Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q 3 2 2 3 2 6 ч 8 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 » Прифильт-ровая зона То же Водоподъемное оборудование Сцементированная прифильт-ровая зона Водовы-пуск скважин То же » » » 52,0 52,04 14,24 28,97 51 ;51 69,07 66,39 79,3 72,5 70,8 80,4 36,9 83,4 82,0 77,4 72,4 80,1 11,43 1,12 1,73 2,54 6,24 6,82 8,6 8,9 4,2 6,5 6,2 4,3 4,6 6,0 4,7 4,2 2,7 2,71 38,57 6,05 ' 5,2 1,39 1,54 8,8 12,4 4,7 6,7 11,5 8,4 8,1 13,2 17,1 6,5 1,22 0,43 1,77 0,59 2,04 0,30 0,47 2,2 1,3 6,8 4,4 14,0 3,4 2,5 1,5 2,6 5,6 0,27 0,32 0,23 0,06 0,08 0,3 3,1 12,8 0,5 31,0 0,3 2,2 1,1 1,8 2,25 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III III 0,8 1,8 0,6 1,5 0,2 0,6 0,8 1,4 1,35 40,41 17,75 32,17 2,78 25,04 11,51 11,89 | 11111111 । । । hi in
Впервые задача о кольматаже призабойной зоны скважин в предположении, что скорость выпадения из воды и отложения на поверхности грунта кольматирующих веществ весьма велика, была сформулирована и решена Н. Н. Веригиным. Согласно схематизации, предложенной Н. Н. Веригиным, процесс кольматажа протекает следующим образом. При отборе воды из скважин изменяется гидродинамика пласта, в результате чего происходит скачкообразное смещение химического равновесия в подземных водах в зоне кольматажа, вблизи скважины. В этой зоне устанавливается некоторая концентрация Cj, по величине меньшая, чем исходная концентрация солей Со в подземных водах. Накопление веществ, выпадающих из воды в зоне кольматажа, равно величине предельного накопления, и за счет этого размеры зоны кольматажа во времени увеличиваются.
Н. Н. Веригиным рассмотрен ряд задач о кольматаже скважин. Из них наибольший интерес представляет решение, полученное для скважины, эксплуатирующейся с постоянным расходом в условиях жесткого режима:
s»-2=v(in^-+^). H-V'W- <nL23)
где So — понижение уровня; Q —расход скважины; т — мощность пласта, kn — коэффициент фильтрации пласта; Ru — радиус прифильтровой зоны; г0 — радиус фильтра; £0 — дополнительное сопротивление, обусловленное устройством фильтра; гс — радиус скважины; k$ — коэффициент фильтрации прифильтровой зоны.
При />0 начинается выпадение из воды и отложение осадков и образуется зона кольматажа. Сначала эта зона находится в пределах области фильтра, т. е. 7?(/)<гс- Со временем размеры ее возрастают и R(t) становится больше гс, т. е. начинает кольмати-роваться .водоносный пласт. До тех пор пока Д(/)<гс, понижение уровня определяется по формуле
So = Д-f^ln^-l--^-Y (III.24) 0 2шя \кф' г0 1 кф R^t) 1 Лп го )
или понижение уровня, обусловленное кольматажем,
S = Sr(ln-^+b+t4 (Ш.25)
где
У ”ф кф J
(III.26)
Здесь Аф' — проницаемость фильтра в зоне кольматажа;
(0=]Ло2+^-; (Ш.27)
г у'-'О
'{N$ и п.ф — грязеемкость и пористость фильтра).
158
Когда R(t)—rc, величина понижения уровня также может быть рассчитана по формуле (III.25) при условии, что
v)h^+(5~1)ln^- (Ш28)
Здесь k'n — проницаемость водоносного пласта в зоне кольматажа;
Rz(t) = ]/г 24- ;
2'’ т 01 лтап
Мп Ч~ (,гп ^п) (Ср—С,) /ттт оо\
Nu и п„ — грязеемкость и пористость пород прифильтровой зоны; Б— период времени увеличения размера зоны кольматации за пределы прифильтровой зоны.
Предположение о том, что смещение химического равновесия в подземных водах происходит лишь в зоне кольматажа, трудно объяснить с позиции химической гидродинамики. По-видимому, правильнее было бы считать, что смещение химического равновесия в подземных водах происходит во всей области пласта, где распространено возмущение от действия скважины, но наиболее интенсивно проявляется вблизи скважин. Именно такая гипотеза и была принята нами [8], а именно: переход растворенных солей во взвешенное состояние осуществляется пропорционально понижению уровня, образующемуся в результате откачки воды из скважины:
С (г, t) = aS (г, t), (III. 30)
где С (г, t)—-концентрация кольматирующих частиц в подземных водах на расстоянии г от скважины в момент времени t\ S (г, t) — понижение уровня подземных вод; a — коэффициент пропорциональности.
Было принято также, что образовавшиеся в результате смещения химического равновесия кольматирующие частицы, осаждаясь в порах грунта, в дальнейшем не переходят в раствор и отрыва их также не наблюдается. Тогда уравнение (111.30) совместно с уравнением (III.31), отражающим закон сохранения количества вещества, составит замкнутую систему
= (III.31)
где b — концентрация осевших в единице объема грунта частиц; v(r) -—скорость фильтрации.
Дифференцируя выражение (III.31) по г и подставляя результат в равенство (Ш.ЗО), получаем следующее уравнение кинетики отложения солей в породах водоносного пласта:
(1П.32)
159
Задача о кольматаже при этом ставится следующим образом. Требуется найти функции S (г, t) и Ъ (г, t), удовлетворяющие уравнениям
dr | ’ 7 dr J ’
db / \ dS
-^- = -ап(г)^-.
(Ш.ЗЗ)
при условиях
Ь(г, 0 = 0 при t = 0;
S (г, t)=0 при г — R;
Q = 2nfe (г, 0 т при г — г0.
Здесь k(r, t)—коэффициент фильтрации пород водоносного пласта.
Для решения этой задачи был использован, метод последовательных приближений. В первом приближении принято, что понижение уровня можно определить по формуле
S= 7.-Д—1п~ 2nktn г
(III. 34)
{k=const).
Скорость фильтрации
v W = QjZmnr. (Ill. 35)
После подстановки значений v(r) и dS/dr в уравнение (Ш.32) интеграл последнего может быть записан в виде
b (г, t) = At/r2, А = aQ2/(2mri)2k. (III.36)
Во втором приближении задача сводится к интегрированию уравнения (II 1.32) с учетом зависимости k(r, t). Этот интеграл имеет вид
я
S (г, 0 = f •=--------,13 . (III-37)
' 1 2nkm J г[1 —7U/n0r2]3 ' '
Го
Поскольку насыщение порового пространства солями происходит не до полного закупоривания пор и No<no (можно принять пот0,5—No), то при использовании формулы (III.36) интеграл (III.37) можно привести к виду
$ (г о _. Q f rdr __ Q
' ’ ' 2nkm I yAt 2nkm
у ra —------
r n0
у At -ln_l+0,51n----
ГО J У At
П0Г2
(III.38)
160
где N'o и по — грязеемкость и пористость пород водоносного пласта; у= 2 —некоторая константа.
Для определения понижения уровня непосредственно в водозаборной скважине будем иметь
(Ш.39)
Здесь £к — дополнительное сопротивление, обусловленное кольматажем водоносного горизонта:
__ yAt
Ь=0.№—(Ш.40)
1 п0г02
При выводе последнего соотношения было учтено, что уД//по7?о2^1 (им по сравнению с единицей можно пренебречь) и что тД//поГ02<1, поэтому при разложении логарифма в ряд можно ограничиться всего одним членом ряда.
Поскольку, согласно уравнению (III.30), накопление осадка в породах пласта протекает линейно во времени, то следует ожидать, что в некоторый момент времени t=ti на стенке фильтра скважины b(r0, t) станет равным No. Принимая b(r0, t)=N0, из выражения (III.36) найдем время t\ = ro2NIA. При t>t\ вблизи скважины начнет образовываться зона, в пределах которой накопление осадка равно No, а коэффициент фильтрации пород составит
fec = fef 1 —1—А].
[ "о J [ п0 ]
Размеры этой зоны во времени будут расти и составят при t>ti
= (Ш.41)
где At=t—ti.
Таким образом, при задача о кольматаже сводится к классу задач с подвижной границей и формулируется следующим образом. Требуется найти функции Si (г, t) и S2(r, t), удовлетворяющие уравнениям
4(rJTT-)-°. r0<r<RW;
R(t)<r<Ra
(III.42)
(III.43)
11—643
161
при следующих условиях:
Sz(r,f) = O при r=R; (III.44)
S, (г, 0 = S2 (г, 0; k = k (г, О
при r — R[(fy (III.45)
Q=—2nk^'mr dS1$~~9~ при r=r0. (III.46)
Здесь Si,2 (r, t) — понижение уровня в точке с координатой г в момент времени t в соответствующих зонах. В первой зоне (индекс 1), размеры которой составляют ro<r</?(O. процесс накопления осадка завершился и коэффициент фильтрации пород уменьшился до своего предельного значения k$. Во второй зоне (индекс 2) с размерами R(t) <r<.Ro по-прежнему наблюдается смещение химического равновесия и происходит накопление коль-матанта. В пределах этой зоны коэффициент фильтрации изменяется во времени и по координате и определяется выражением k(r, t).
Решение уравнений (III.44) и (III.45) имеет вид
«о ,
S, (г, 0 = A, In г -НВ; S2 (г, f) = Az J (III.47)
Я (О
где Д1,2 и В — некоторые функции времени.
Используя условия (III.44) — (III.46), получим следующее выражение:
Дг1" ^?~+W)lr=R®. (Ш.48)
в котором S2(r, t) определяется согласно формуле (III.38).
Понижение уровня в скважине при t>t\
(Ш.49) где
’ In Т'-уЛ//^(02 • (IIL5°)
В формуле (III.50) можно также пренебречь величиной ^AtlnoRo2, так как она меньше единицы. Тогда после подстановки значения R(t) из уравнения (III.41) и некоторых алгебраических преобразований получим
(III.51)
\ к ф ) го™о по '
162
На рис. 57 приведены кривые изменения насыщенности пород кольматантом вблизи скважины. Расчеты проводили по формуле (III.51) при значении параметра Д = 5,1-10-6 м2/с для различных периодов времени. В данном примере при Мо=О,2 время первой стадии составило £1 = 400 сут. С этого момента вблизи скважины начнет образовываться зона, в пределах которой b(r, t)=No.
Из приведенного решения <111.51) следует, что накопление кольматанта в прифильтровой зоне скважин и в породах пласта происходит пропорционально квадрату дебита скважины и времени. Иными словами, если из скважины откачивается объем воды W=Qt, то тем больше отложится кольматанта, чем больше производительность скважины. Это неоднократно подтверждалось на практике.
В работе [8] кольматаж скважин был исследован с позиции неравновесного массообмена, когда выпадение из подземных вод труднорастворимых солей, а следовательно, и изменение фильтрационных свойств пород протекают медленно. В этом случае понижение уровня воды в скважине, работающей с постоянным расходом, определяется уравнением
РИС. 57. Зависимость сопротивления скважины, обусловленного кольмата-жем, от соотношения проницаемости пласта и фильтра
И
S(r“')=2S-f-aKo. <1П-Б2>
. го
где
I' "о J
Чтобы найти интеграл уравнения (III.52), необходимо предварительно установить зависимость b(r, t). Величина b(r, t) отыскивается из решения задачи кинетики насыщения пор кольматантом {8J1:
дЬ . . . дС „
(III.53)
db
-§i--Ь]С, (III.54)
где у — коэффициент, определяющий скорость выпадения из воды труднорастворимых солей.
11*
163
Решение системы уравнений (III.53)— (Ш.54) отыскивается-при следующих условиях:
f=0, 6(г,/) = 0 и С (г, 0 = 0; (Ш.55>
r = R, C(r,t)=C0. (III. 56)
Если принять, что у зависит от скорости фильтрации, то
у=Доп“1, (а1 = 0,5н-1). (III.57)
Решение системы уравнений (III.53) — (III.54) с использованием условий (III.55) — (III.56) и с учетом (И1.57) имеет вид:
_ е^-1
No eCmot — I + еЛ' 0V W—W (r)p
C(r,t) _ /г\“2_____________________
Св \R I ecoW_ ] +eJVIw'W-UZ(r)]- v Л
Методика прогноза кольматажа скважин
Из исследований гидравлики фильтров известно, что рост гидравлического сопротивления фильтров скважин на начальной стадии их эксплуатации (когда кольматирующие частицы осаждаются в чистом фильтре) незначителен. На этой стадии структурные изменения пористой среды невелики. По мере накопления осадка в порах наблюдается заметное увеличение гидравлического сопротивления. Зависимость (III.51) хорошо описывает динамику роста дополнительного сопротивления. На рис. 57 приведены график» изменения £ь = /(£/йф; Ъ/п0), построенные по уравнению
чз—1 lln^-. (III.60)
рф(1 — b/ntf J r0 v '
Во всех случаях с увеличением насыщенности пор осадком величина возрастает. Однако в скважинах с ухудшенной начальной проницаемостью к/кф^>1 сопротивление фильтра растет более интенсивно, чем в скважинах, с начальной проницаемостью, превышающей проницаемость пласта &/йф<1. Это неоднократно подтверждалось на практике, и скважины с фильтрами, имеющими начальное сопротивление значительно быстрее выходят из строя, чем скважины с фильтрами, у которых £о<О.
Для практических расчетов можно ограничиться случаем N/n0 — l. Тогда уравнение (III.60) примет вид
e3C°Tz—11 In (III.61)
I J Дк
Для оценки параметров кольматажа выражение (III.61) приводится к виду
lgp = Ig^+l,305Coy/, (III.62)
где !'=мтДг+|-
164
ГЛАВА IV.
ПОДБОР И РАСЧЕТ ФИЛЬТРОВ
§ 28. Общие требования,
предъявляемые к конструкциям фильтров
В;основу подбора и расчета фильтров водозаборных скважин должны быть положены следующие критерии: обеспечение необходимой механической прочности при установке фильтров в скважину; коррозионная устойчивость в расчетный срок эксплуатации; минимальные потери напора при сохранении суффозионной устойчивости пород в прифильтровой зоне; поддержание стабильной работы скважины в течение всего периода предполагаемой ее эксплуатации как за счет конструкции фильтра и скважины, так и за счет применения методов восстановления производительности скважины.
Прочностные характеристики фильтров, учитывающие растяжение и сжатие фильтровой колонны в направлении оси скважины под действием собственного веса при установке фильтра и труб; боковое давление пород и гравийной обсыпки, а также фильтрационное давление при притоке воды в скважину, вызывающее радиальные силы сжатия, учитываются в технических условиях заводов-изготовителей и ГОСТах на выпускаемую серию конструкций с приведением обобщенного критерия — предельной глубины скважины, до которой допускается установка этого фильтра.
Несущие свойства фильтровой колонны, а следовательно, и сроки эксплуатации скважины изменяются в зависимости от коррозионных свойств отбираемой воды и коррозионной устойчивости фильтра. Химическая коррозия происходит, если в воде находятся некоторые компоненты в концентрациях, обусловливающих растворение металлов. Такими компонентами являются СО2, О2, H2S, НО, H2SO4. При каптаже питьевой воды с небольшой минерализацией возможность коррозии вследствие нарушения углекислотного равновесия следует прогнозировать, используя показатель Ризнера Ri = 2pHs—pH.
Здесь pHs — показатель водородных ионов, отвечающий равновесному содержанию в воде углекислых соединений; pH —фактическая величина концентрации водородных ионов подземных вод.
При Ri>9 вода коррозионна; если 7<Ri<9, то возможно развитие коррозии с небольшой скоростью либо кольматажа. При Ri<7 вода склонна к выделению кольматирующих образований. Фильтры из низкоуглеродистой стали без антикоррозионных покрытий применимы при Ri = 74-8; оптимальная область применения латунных материалов в конструкции находится при Ri=6,5-r--т-8,5; нержавеющая сталь характеризуется максимальной устойчивостью и применима даже при Ri = 12-г-15.
165
При каптаже скважинами подземных вод, содержащих сероводород, скорость коррозии стальных труб может достигать значительных величин (8—10 мм/год), поэтому в этих случаях обязательно применение антикоррозионных конструкций. Процесс электрохимической коррозии предотвращается путем использования в конструкции фильтров металлов с близкими потенциалами.
Следует отметить, что свойства подземных вод, в том числе и коррозионные, могут изменяться в процессе эксплуатации скважин, и это необходимо учитывать при их проектировании в зависимости от предполагаемых закономерностей формирования химического состава отбираемых вод в ходе эксплуатации водозаборов. Например, при нахождении в области влияния скважины заболоченных участков вполне вероятно существенное увеличение в процессе эксплуатации в отбираемой воде содержания сероводорода и железа.
При выборе типа фильтра скважины с высоким расчетным дебитом (более 150 м3/ч) следует ориентироваться на конструкции большой скважности со щелями, ориентированными в горизонтальной плоскости (каркасно-стержневые с проволочной обмоткой, фильтры конструкции МГМИ). При проектной производительности скважин 100—150 м3/ч наряду с каркасно-стержневыми конструкциями допустимо использование фильтров из штампованных материалов и на трубчатых каркасах с водоприемной поверхностью из проволоки или штампованного листа. При производительности скважин 50—100 м3/ч в них допускается установка фильтров с сеткой квадратного плетения. При проектном дебите менее 50 м3/ч возможно сооружение скважин с фильтрами с сетчатой водоприемной поверхностью и конструкций блочного типа.
При сооружении эксплуатационных скважин длительного действия необходимо предусматривать установку фильтров максимальной скважности. Следует иметь в виду, что предельная скважность для каркасно-стержневых фильтров с проволочной обмоткой составляет 40—50%, для щелевых и дырчатых фильтров максимальная скважность составляет 20—25%. Использование дополнительной водоприемной поверхности приводит к снижению действующей скважности конструкции. Поэтому более предпочтительно применение в скважинах фильтров-каркасов с соответствующей гравийной обсыпкой. Диаметр фильтра-каркаса выбирают исходя из проектного дебита скважины и параметров водоподъемного оборудования. Надо учитывать, что скорость движения воды в водоподъемных трубах не должна превышать 1,5—2 м/с. Рациональное соотношение диаметра фильтра йф и диаметра скважины dc записывается в виде: dc= (4-ь5)г/ф, т. е. толщина слоя гравийной обсыпки должна составлять (1,5-г-2)с?ф.
Нормативные указания по подбору фильтров для водозаборных скважин сформулированы в СНиП 2.04.02—84. Этим же документом регламентируются типы фильтров, которые рекомендуются к применению в эксплуатационных водозаборных и дренажных скважи
166
нах. В упомянутых скважинах допускается использование фильтров на трубчатых, стержневых и спирально-проволочных каркасах, каркасах из штампованного листа и с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, штампованного листа и сеток различного плетения.
Наиболее предпочтительно применение фильтров с рыхлой гравийной обсыпкой, в ограниченном числе случаев допустимо оборудование скважин фильтрами блочного типа. Особую группу составляют фильтры для наблюдательных скважин.
§ 29. Гидравлический расчет фильтров и их подбор
Выбор типа и конструкции фильтра
Наименьшие гидравлические потери вне зависимости от условий каптажа рыхлых или связных пород обеспечиваются при установке в скважине фильтров со щелями, ориентированными в горизонтальной плоскости. Наиболее предпочтительны фильтры с проволочной водоприемной поверхностью — каркасно-стержневые конструкции В. М. Гаврилко или фильтры фирм «Джонсон» и «Кук». При проектировании скважин относительно невысокой производительности можно применять фильтры из штампованных материалов и на трубчатых каркасах с какой-либо из водоприемных поверхностей (сетчатой, из проволоки или штампованного листа). Во всех случаях следует иметь в виду, что при использовании дополнительной водоприемной поверхности существенно снижается эффективная скважность фильтра, поэтому более целесообразно использование гравийного фильтра вместо устройства дополнительной водоприемной поверхности.
При сооружении эксплуатационных скважин длительного действия необходимо предусматривать установку фильтров максимальной скважности. В фильтрах с проволочной обмоткой или продольными проволочными стержнями на каркасах скважность 40—60% можно считать допустимой исходя из их конструктивных особенностей. Для щелевых и дырчатых фильтров, изготовляемых из труб, допускаемая минимальная скважность при соблюдении прочности равна 20—25%. Для скважин, забирающих воду из слабопроницаемых пород и рассчитанных на короткий период эксплуатации, скважность фильтров можно снижать до 10—15%.
Необходимо отметить, что скважность фильтров в ряде случаев зависит от конструктивных особенностей материалов, из которых они изготовляются, а также от технологии изготовления проходных отверстий. Если стальные фильтры штампованные, можно получить большую скважность, чем при автогенной резке щелей или при сверлении.
167
Выбор диаметра и длины фильтра-каркаса
Диаметр фильтра-каркаса выбирают исходя из проектируемого дебита скважины и параметров водоподъемного оборудования. Дополнительно фильтры следует проверять на допустимые скорости движения воды (в фильтре и водоподъемных трубах), которые не должны превышать 1,5—2 м/с. Поскольку при толщине контура гравийной обсыпки 150—200 мм, как правило, скважины работают устойчиво, их диаметр можно определять исходя из назначаемого диаметра фильтра и предполагаемой толщины обсыпки. Необходимо отметить, что в водах неустойчивого химического состава предпочтительно использовать фильтры большого диаметра при сохранении предполагаемой толщины слоя обсыпки.
Длину фильтра-каркаса выбирают на основе анализа гидрогеологических условий водоносных пластов, принимая ее равной их мощности, если последняя меньше 10 м, т. е. следует проектировать скважины, совершенные по степени вскрытия пласта. При значительных мощностях водоносного горизонта фильтры устанавливают в наиболее водопроницаемых зонах. При слоистом строении толщи возможны ярусные фильтры с перекрытием водонепроницаемых или слабоводопроницаемых отложений глухими трубами.
Если водоносный пласт однороден и его мощность более 10 м, длину фильтра можно подбирать методом фильтрационных сопротивлений, согласно которому пользуются приемом, основанным на том, что показатель сопротивления скважины, характеризующий несовершенство по степени вскрытия пласта, уменьшается с увеличением длины фильтра / и при //т = 0,8ч-0,9 становится незначительным (т — мощность водоносного пласта). Суммарное же сопротивление фильтра прямо пропорционально его длине. Это можно объяснить, если представить, что однородный водоносный пласт оборудован фильтром лишь частично, а некоторая зона ствола скважины сохраняет устойчивость без крепления ее фильтром. Очевидно, дополнительное сопротивление будет сказываться только на участке установки фильтров.
Суммарное сопротивление, связанное с конструктивными особенностями скважины, имеет оптимальную величину, поскольку сопротивление, обусловленное несовершенством по степени вскрытия пласта, уменьшается с увеличением длины фильтра, а потери напора вследствие несовершенства скважин по характеру вскрытия пласта возрастают при большей длине фильтра. Поэтому увеличение длины фильтра гидродинамически несовершенной скважины не приводит к росту ее расхода при заданном понижении уровня. Это особенно заметно при использовании в скважине фильтров с большим сопротивлением (сетчатого, блочного, фильтров-каркасов с малой скважностью).
Пример. Необходимо выбрать длину фильтра скважины с водоприемной поверхностью из сетки галунного плетения Ns 12/90 на каркасе из трубы с круглыми отверстиями фильтра при намечаемой откачке эрлифтом. Мощность напорного водоносного горизонта 10 м, диаметр фильтра принимается 100 мм.
168
При подборе длины фильтра удобно строить совмещенные графики зависимости Ci и ^2ф от Цт (здесь — показатель сопротивления, суммируемый с сопротивлением пласта и обусловленный несовершенством скважины по степени вскрытия пласта; £2ф— показатель сопротивления фильтра). В рассматриваемом случае при диаметре отверстия каркаса do=20 мм и отношении do/B = O,2 (где D — диаметр фильтра) сопротивление сетчатого фильтра при скважности 24; 10 и 5% равно соответственно 24; 10 и 5.
Из графика (рис. 58) следует, что в каждом случае применение фильтра с длиной, больше той, при которой оба показателя сопротивления равны друг другу (£] = С2ф), не может привести к снижению потерь, связанных с конструктивными особенностями скважины. Для сетчатых фильтров со скважностью опорного каркаса 24; 10 и 5% оптимальные значения 11т составляют соответственно 0,7; 0,5 и 0,43.
При использовании фильтров высокой скважности с небольшими сопротивлениями (каркасно-стержневые фильтры или другие конструкции, обеспечивающие проницаемость, близкую к проницаемости каркасных конструкций) практически всегда можно принимать отношение 1]т=0,74-0,8. Во всех указанных случаях, особенно при большой мощности водоносного пласта, для окончательного выбора длины фильтра при заданном диаметре и конструкции целесообразно использовать проверку постоянства гидравлических потерь с применением
РИС. 58. График для расчета оптимальной длины фильтра в скважине с двойным несовершенством:
1 — изменение £i=f(Z/m); 2, 3, 4 — изменение сопротивления сетчатого фильтра при скважностях соответственно 24; Юн 5%
критерия, согласно которому при />0,53 D/iif] гидравлические потери и приток к скважине остаются постоянными.
При пользовании критерием диаметры фильтра задаются в соответствии с изложенными рекомендациями, а величиной р, можно задаваться в со-
ответствии с исследованиями И. Петерсена, М. Альбертсона и С. Ровера. Кроме того, для этих целей применимы результаты исследований Г. В. Донского, характеризующие зависимость коэффициента расхода от отношения d2slb (d2s — размер частиц гравийной обсыпки или водоносных пород, соответствующий 25% -ному содержанию их в пробе; b — ширина щели или диаметр круглого отверстия) и приведенные на рис. 59.
При правильно подобранном фильтре проницаемость гравийной обсыпки выше проницаемости пласта, поэтому потерями напора в гравии условно можно пренебречь (в начальный период на опытных участках Каменского и Знаменского вертикальных дренажей потери напора составляли 2—-5 см при толщине контура более 200 мм) и принимать равными диаметру скважины.
Пример. На участке Каменского вертикального дренажа мощность водоносных пород составляет в среднем 15 м, а бурение ведется роторным способом с обратной промывкой (диаметр скважины 0,8 м). В скважинах установлены
169
каркасно-стержневые фильтры конструкции В. М. Гаврилко со скважностью 0,43. При использовании в качестве обсыпки гравия волгоградского карьера с размером частиц Z?so=4 мм, р,=0,88, /=11,2 м получается 11т=0,15, что согласуется с расчетами предыдущего примера.
Очевидно, в скважинах специального назначения (для осушения, искусственного пополнения запасов подземных вод и других целей) возможен иной конструктивный подход к выбору длины и диаметра фильтра. Влияние положения фильтра в водоносном пласте на дебит скважины в напорных условиях экспериментально изучалось С. К. Абрамовым на ЭГДА. Было установлено, что фильтр можно располагать в любом положении в пласте по вертикали. С приближением его концов к верхнему и нижнему водо-
упорным пластам наблюдается незначительное уменьшение дебита скважин, которым можно практически пренебречь.
Примерно то же происходит и при работе скважин в безнапорных условиях. При устройстве крупных водозаборов и водопонизительных систем оптимальные длины фильтров и интервал их установки могут быть найдены экспериментальным путем с помощью расходометрии эксплуатационных скважин, т. е. выявлением участков с максимальным притоком с помощью приборов, позволяющих оп-высоте водоприемной части скважины.
РИС. 59. Зависимость, коэффициента расхода фильтра с круглой перфорацией от состава кольматирующего с ним гравия (песка)
ределять скорости воды по
При эксплуатации скважиной нескольких водоносных горизонтов (при чередовании водоносных слоев с водоупорными) необходимо применять фильтры, составленные из отдельных звеньев.
§ 30. Обеспечение суффозионной устойчивости пород в призабойной зоне
Выбор размера отверстий фильтра необходим при конструировании и изготовлении фильтровых каркасов независимо от того, будут ли они контактировать непосредственно с естественной водоносной породой или с обсыпкой. Размер проходных отверстий фильтров зависит от гранулометрического состава пород, слагающих водоносный горизонт, химического состава подземных вод, особенностей конструкций фильтра.
Процессы сводообразования у отверстий фильтров как в среде, составленной из калиброванных металлических шариков, так и в естественных разнозернистых песках были изучены Тиккелем и Коберли. Ими было установлено, что размеры проходных отверстий фильтров в основном зависят от двух факторов: фракционного состава песков, контактирующих с каркасом; формы проходных отверстий фильтра.
170
В результате исследований были получены следующие зависимости для определения размера проходных отверстий фильтра:
диаметр круглых отверстий Do = (3-ь4,5)б/во;
ширина прямоугольной щели t= (24-3)d90.
Здесь d<j0— диаметр песчаных частиц, соответствующих 90 % -ному содержанию их в породе.
Изучение формы щели показало, что увеличение ее длины не сказывается на устойчивости естественного фильтра, за исключением случая, когда форма прямоугольного отверстия приближается к квадрату. В этом случае отношение t[dso приближается к отношению Do/d9O.
На основе результатов специальных лабораторных опытов в фильтрационной трубке, а затем в фильтрационном лотке, где изучались условия выноса песчаных частиц через проходные отверстия в дырчатых, сетчатых и щелевых фильтрах при работе их как в однородных, так и в разнородных по крупности песках,
ТАБЛИЦА 52
Размеры отверстий фильтров в зависимости от коэффициента неоднородности пород и их среднего диаметра
Тип фильтра Однородные породы н обсыпки Неоднородные породы н обсыпки £н>2
Дырчатый Сетчатый Щелевой Проволочный (2,54-3) rfCp (1,54-2) dCp (1,254-1,5) dcp 1,25 dcp (34-4) d60 (24-2,5) dM (1,54-2) d60 1,5 dso
Примечание. Меньшие значения коэффициентов при dcp и d£0 относятся к мелкозернистым породам, а большие — к крупнозернистым.
С. К. Абрамовым рекомендуются следующие эмпирические зависимости для определения размеров отверстий на фильтровых каркасах (табл. 52).
Из приведенных соотношений следует, что величина проходных отверстий находится в определенной зависимости от их формы и взаимного расположения. В результате исследований С. К- Абрамов пришел к выводу, что расстояние между отверстиями следует назначать исходя лишь из условий обеспечения необходимой скважности и прочности фильтров, а длину щелей принимать равной десятикратной их ширине.
Подбор гравийной обсыпки
В зависимости от механического состава водоносных пород и химических свойств подземных вод в скважинах можно устанавливать фильтры с гравийной обсыпкой или без нее. В водах с большой жесткостью и со значительным содержанием железа и растворенных газов (углекислота, кислород) необходимо устанавли-
171
вать фильтры с большой фильтрационной поверхностью, максимальной скважностью и большими проходными отверстиями, что может быть достигнуто только при применении гравийных обсыпок.
В галечниках, гравии и крупнозернистых песках фильтры устанавливают без гравийной обсыпки. В среднезернистых, мелкозернистых и тонкозернистых песках для увеличения отбора воды из скважин и предупреждения зарастания фильтров рекомендуется гравийная обсыпка. Последнюю надо рассматривать как средство улучшения фильтрационных свойств грунтов в прифильтровой зоне, а также как конструктивный элемент, позволяющий задаваться большим размером проходных отверстий фильтра (а следовательно, и большей скважностью).
Гравийная обсыпка обычно состоит из одного или двух слоев (реже большего числа слоев). Подбор обсыпок при устройстве гравийных фильтров — один из наиболее ответственных этапов в комплексе работ, связанных с проектированием, сооружением и эксплуатацией водозаборных скважин. Крупность гравийных (песчаных) частиц и число слоев обсыпки определяют с учетом механического состава песков, слагающих водоносный пласт на участке установки фильтра.
При устройстве многослойных фильтров особое внимание обращают на подбор первого слоя обсыпки, контактирующего с грунтом. Этот слой — основной, фильтрационный, второй -и последующие— каркасные, поддерживающие первый слой. Соответственно дифференцируются и соотношения между частицами грунта и частицами гравия, которые обеспечивают стабильную работу скважин без пескования. Межслойные коэффициенты (отношения размеров частиц разных слоев обсыпки) в обсыпке принимаются меньшими, чем на контакте с грунтом.
Основное требование к подбору гравийных обсыпок заключается в обеспечении суффозионной устойчивости пород в прискважинной зоне при сохранении относительно небольших контактных потерь напора. В основу подбора гравийного фильтра скважины берутся данные о гранулометрическом составе водоносных пород из графика, построенного в полулогарифмическом масштабе. По этой кривой оценивается размер частиц, соответствующий 50%-ному содержанию их в пробе (t/so), и при коэффициенте межслойно-сти, равном 8—12, определяется Р5о гравия или песка, применяемого для обсыпки. Однако при подборе состава обсыпки более предпочтительно использовать не отдельные значения характерного состава песков, а кривую их гранулометрического анализа в целом. Наиболее детальные исследования по подбору состава слоя обсыпки с учетом всей кривой гранулометрического состава были проведены В. И. Фоменко [31].
Для обсыпок водозаборных скважин следует использовать не-суффозионные гравийные материалы с коэффициентом неоднородности менее 3—5, состоящие из хорошо окатанных, нерастворимых в воде пород. При подборе состава обсыпок вначале следует оце-172
нить суффозионную устойчивость пород по методу В. Н. Кондратьева. Для этого строят дифференциальную кривую зернового состава породы, характеризующую распределение по размерам отдельных фракций. Если данная кривая имеет разрывы или значительные прогибы в содержании отдельных фракций, то это указывает на возможность механической суффозии в породе. В противном же случае породу следует считать несуффозионной. Чтобы определить, как будет развиваться суффозия в породе, следует разделить
РИС. 60. Зависимость допустимых межслойных коэффициентов от неоднородности породы:
J— 4=1; 2 — 4=2: 3 — 4=3; 4 — 4=5; 5 —
4 = 10
РИС. 62. Зависимость пористости породы от ее неоднородности: 1, 2 — огибающие кривые
РИС. 61. Зависимость поправочных коэффициентов от неоднородности обсыпок:
ее состав на скелет и заполнитель по точкам разрыва или прогиба дифференциальной кривой. Далее следует строить интегральные кривые зернового состава скелета и заполнителя и рассчитать гидравлический эквивалент пор скелета по формуле
3,2
£>оск = О,23/а Ут] Р17, (IV.1)
где а=3,42 — эмпирический коэффициент; п — пористость скелета породы; т] — коэффициент неоднородности скелета породы; Ь\7 — диаметр частиц, соответствующий 17 %-ному содержанию.
Условие, достаточное для возникновения суффозии в породе с учетом полученных данных, определится неравенством
(Д>скЧо3ап)>£. (IV.2)
где dso зап ‘Средний диаметр частиц заполнителя; — структурный коэффициент, определяемый по графику (рис. 60, 61), при ^св=^Еозап (^св — диаметр сводообразующих частиц).
173
При меньших значениях отношения (IV.2) суффозия в породе будет местная, на контакте с гравийной обсыпкой, и вглубь распространяться не будет.
Для оценки деформации породы следует сопоставить возможную пористость скелета (рис. 62) с расчетной по формуле
пск=1— 6n'CK/T, (IV.3)
где 6 — плотность породы; п'Ск — относительное содержание скелета в породе; у — плотность скелета.
Если расчетная пористость скелета больше возможной, то при развитии суффозии могут быть осадки породы.
Подбор параметров обсыпки для несуффозионных пород
При подборе параметров обсыпок для несуффозионных пород вначале следует с помощью графика (рис. 63) и интегральной кривой состава породы определить размер сводообразующих частиц, а за
РИС. 63. Зависимость содержания сводообразующих частиц от неоднородности породы:
1 — тонкозернистый песок; 2 — мелкозернистый песок; 3 — средне- н крупнозернистый песок
РИС. 64. Кривые зернового состава теоретически несуффозионных пород (по А. Н. Патрашеву)
тем, используя графики (см. рис. 60, 61 и 63), рассчитать допустимый межслойный коэффициент
e = a,£>0/dCB, (IV.4)
(а'= 1,03-*-1,1—поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность раскладки частиц гравийной обсыпки).
Из зависимости (IV.4) получим
D^ndja'. (IV.5)
Затем, учитывая равенство (IV.5), определим Dn обсыпки:
D17 = Do J10,23 yfa . (IV.6)
174
При известном Dn, задавшись коэффициентом неоднородности породы, можно рассчитать весь состав гравийной обсыпки с использованием графика (рис. 64). Рассчитанная указанным выше способом обсыпка соответствует максимально допустимой крупности. Для определения минимально допустимой крупности обсыпки используется равенство
DM/dM = 7^9. (IV.7)
Пример. Водоносный пласт сложен мелкозернистыми песками rfso=O,2 мм и т]=3. Зерновой состав песков представлен .на графике (рис. 65, а). Коэффициент фильтрации пласта /?=10 м/сут. Намечается устройство скважины, оборудованной гравийным фильтром с толщиной обсыпки 20 см. Необходимо подо-
РИС. 65. Кривые зернового состава песчаной (а) и гравийно-галечниковой (б) водоносных пород и рекомендуемых гравийных обсыпок:
t в 2 — интегральная и дифференциальная кривые породы; 3 и 4 — интегральные кривые минимально и максимально допустимой по крупности обсыпки; 5 — интегральная кривая заполнителя; 6 — интегральная кривая минимально допустимой по крупности обсыпки; 7 н 8.— интегральные кривые максимально допустимых по крупности обсыпки и скелета
брать состав гравийной обсыпки с коэффициентом неоднородности, равным 3, и пористостью л=40%.
Прежде всего построим дифференциальную кривую зернового состава породы (рис. 65). Как видно из рис. 65, эта кривая характеризуется равномерным содержанием отдельных фракций и отсутствием разрывов и резких прогибов, что является признаком несуффозионной породы.
Далее по графику (см. рис. 61) определим процентное содержание сводообразующих частиц и с помощью интегральной кривой породы размер сводообразующих частиц (г/сВ=0,021 см). Затем с помощью графиков (см. рис. 61, 62) рассчитаем допустимый межслойный коэффициент е=3,6 и определим поправочный коэффициент «'=1,03, после чего по зависимости (IV.5) найдем диаметр пор обсыпки
Do = 3,6-0,021/1,03 = 0,0734 см.
Далее по формуле (IV.6) определим Д17 обсыпки:
0,0734
П17 = 0,23-3,42-0,4/(1 —0,4)-3 = 0,179 см‘
176
Состав гравийной обсыпки рассчитывается по графику (см. рис. 64). Результаты расчетов приведены ниже:
Средний диаметр несуффозиоиной гравийной обсыпки, мм 3,9
Коэффициент неоднородности.........................3
Содержание (в %) фракций, мм: 1—2...........................................21
2—3............................................17
3—5............................................24
5—7............................................26
7—10...........................................12
Для определения минимально допустимой по крупности обсыпки вначале из равенства (IV.7) следует определить £>60=8-0,2=1,6 мм, а затем на рис. 65 через точку О6о=1,6 мм провести линию, параллельную кривой 4.
Подбор параметров обсыпок для суффозвониых пород
Параметры обсыпок для пород, в которых может развиваться опасная для их устойчивости суффозия, следует подбирать по составу заполнителя. Однако в этом случае при выборе состава сводообразующих частиц приближенно принимается dCB==^5o зап. Допустимый межслойный коэффициент выбирается таким же образом, как и для несуффозионных пород, с использованием графиков (см. рис. 60 и 63) по формуле
е= а'£)0/Д803ап. (IV.8)
Если порода подвержена суффозии и при этом расчетная пористость ее скелета меньше фактически возможной, то применять обсыпку для предотвращения суффозии не имеет смысла. Если частицы обсыпки будут больше частиц породы, то обсыпка не защитит породу от суффозии, а, наоборот, порода будет интенсивно кольматироваться.
Пример. Водоносный пласт представлен гравийно-галечниковыми отложениями с dso=6 мм; т]=69,9; плотность породы у=2,7 г/см3 и плотность скелета 6=1,94 г/см3. Зерновой состав породы представлен графиком (рис. 65,6). Намечается устройство скважины с гравийным фильтром толщиной 20 см. Необходимо подобрать состав гравийной обсыпки с коэффициентом неоднородности 1]=3и пористостью п=40%.
Вначале строим дифференциальную кривую породы (рис. 65,6). Как видно из графика, дифференциальная кривая породы характеризуется прогибом в содержании фракции с размером частиц более 1 мм и менее 2 мм. Следовательно, в породе может быть суффозия.Для выяснения ее характера породу по месту прогиба дифференциальной кривой разделим на скелет и заполнитель и рассчитаем их фракционный состав. Средний размер частиц заполнителя 4/бозап= =0,32 мм, скелета £>60= 17 мм, а содержание скелета в породе 66%.
Определим пористость скелета
1,94-0,66
Иск — 1 — 27 = 53% •
Затем по формуле (IV.1) рассчитаем диаметр пор скелета при максимально возможной пористости.
0,37 3>2.___
£>оск — 0,23-3,42 !_0 37 /8,2-0,37= 1,86 мм.
176
Находим отношение
^оск/^о зап =1.86/0,32 = 6,0.
Согласно графику (см. рис. 62), допустимое отношение е==2,9, т. е. порода является суффозионной.
Так как фактически возможная пористость скелета породы, согласно рис. 64, равна 37%, то при выносе частиц заполнителя произойдет разрушение породы. Для предотвращения опасной для устойчивости породы суффозии состав обсыпки должен удовлетворять допустимому межслойному коэффициенту, определяемому зависимостью (IV.8) и с помощью графиков (см. рис. 62 и 63). Отсюда Z>o=O,91 мм=0,091 см.
По зависимости (IV.6):
D„=------------=0,23 см.
17 г__________ 0,40 3>2
0,23 /3,42- !_о-4о /3
Затем вычисляем фракционный состав суффозионной гравийной обсыпки с помощью графика (см. рис. 64). Результаты расчетов приведены ниже:
Средний диаметр гравийной обсыпки, мм.............5,1
Коэффициент неоднородности . . 3
Содержание (в %) фракций, мм: 1—2..............................................8
2—3.............................................18
3—5..............................................18
5—7.............................................24
7—10............................................22
10—20............................................Ю
Состав минимально допустимой по крупности обсыпки находится таким же образом, как и для несуффозионных пород. Для этого вначале по зависимости (IV.3) рассчитывается обсыпки: £>6о=7-0,32=0,22 см, а затем на графике (рис. 65,6) через точку £>60=2,2 мм проводится линия, параллельная кривой 5.
При двухслойной обсыпке в процессе подбора размера гравия внутреннего (опорного) слоя используют коэффициент межслойности, равный 5. Материал обсыпки должен быть однородным. Во всех случаях количество частиц максимального и минимального диаметра в составе обсыпки не должно превышать 10%.
Удовлетворительные результаты дает пользование диаграммой, приведенной на рис. 66, где представлены практически полный диапазон кривых гранулометрического состава песков и кривая их характерного диаметра, на которую следует ориентироваться при подборе фильтра во избежание механического кольматажа обсыпки и суффозии. Расчетную величину среднего диаметра гравия получают путем умножения величины характерного диаметра на 5.
Материал обсыпки должен быть однородным, и его надо просеивать через сито с размерами ячеек, приведенными в табл. 53. При этом минимальная масса пробы гравия также должна быть различной для фильтрового гравия (песка) разного состава. Во всех случаях количество частиц минимального и максимального диаметра не должно превышать 10%.
12-642
177
Толщина слоя обсыпки
Можно считать установленным, что при соблюдении геометрического критерия суффозии вынос частиц из водоносного пласта через обсыпку мало зависит от ее толщины. Исследования показывают, что при толщине слоя 1= (5-=-1O)Z)5o и соотношении невы-мываемых частиц песка и обсыпки 1 : 10 фильтр работает без пескования.
Однако по условиям ведения работ при обсыпках такой толщины и использовании крупнозернистого гравия трудно гарантировать непрерывность слоя обсыпки, поэтому минимальную толщину ее рекомендуется выбирать в зависимости от размера зерен гравия и песка:
Размер зерен, мм..................... 0,75—4 4—12 12— 35
Толщина слоя, мм..................... 60 70 80
В скважинах с многослойной обсыпкой толщина слоя из тонкозернистого гравия (песка) никогда не должна быть меньше толщины опорного слоя грунта. Для обсыпки фильтров скважин нецелесообразно применять гравий неоднородного состава вслед
ствие существенного расслоения его в процессе засыпки и чередования слоев уплотненной обсыпки с крупнозернистыми слоями, через которые возможна суффозия [31]. В исключительных случаях допустимо применение неоднородного гравия при принудительной подаче его на забой скважины по специально спускаемым трубам или при других технологических приемах, обеспечивающих уменьшение расслоения гравия в ходе засыпки. Расход гравия зависит от длины фильтров и толщины обсыпки. Длину фильтра определяют расчетным путем с учетом особенностей строения водоносного горизонта (смена гранулометрического со-линз и т. д.).
РИС. 66. Кривые зернового состава песков и кривая характерного диаметра частиц гравия (пунктирная) для определения состава гравийной обсыпки
става пород, наличие глиняных
В расчете гравийной обсыпки следует учитывать, что при засыпке по межтрубному пространству высота слоя должна быть на 3—5 м больше длины рабочей части фильтра. Запас столба гравия над верхним краем рабочей части фильтра необходим для пополнения обсыпки в случае ее проседания и выноса. При достаточных запасах гравия, небольших глубинах скважин (15—25 м) и длине рабочей части фильтра, не превышающей 10—15 м, целесообразно производить гравийную обсыпку на всю глубину скважины.
17В
В фильтрах блочного типа длина обсыпки принимается равной длине рабочей части фильтра.
При устройстве рыхлой обсыпки перед началом работ требуется определить объем гравия, необходимый на 1 м фильтра:
V=_^(DT2_d(J)2)Za> (IV.S>
где Dt — внутренний диаметр обсадной трубы; — наружный диаметр фильтра; I — длина фильтра; а=1,2-т-1,5— коэффициент растекания.
ТАБЛИЦА S3
Данные о рекомендуемом составе обсыпки и массе представительной пробы гравия (песка)
Размеры частиц, мм
Рекомендуемые соотношения размеров частиц при многослойной обсыпке
Фильтровый песок
0,25—0,50 0,50—0,75 0,75—1,00 1,00—1,50 1,50—2,00
текание гравия под фрезер обсадной трубы. В зависимости от спо-
соба подъема колонн (домкратами, полиспастами, вибраторами) усадка гравия будет различной; в некоторых случаях она достигает 50% и более.
Для успешной работы гравийных фильтров следует тщательно подготовить материал для обсыпок. Гравий, добываемый в речных карьерах и непосредственно в плесах, в большинстве случаев со-
держит лишь незначительные примеси глинистых частиц, которые легко удаляются просеиванием. Песок и гравий, добываемые в горных карьерах, часто обогащены продуктами выветривания (пыль, глина), поэтому, кроме просеивания, их надо промывать водой. При массовой установке фильтров гравий рекомендуется просеивать на виброгрохотах с установкой двух сит, определяющих верхний и нижний пределы необходимого размера частиц гравия.
12*
179
§ 31. Подбор фильтров блочного типа
Лабораторными исследованиями, проведенными во ВНИИВОД-ГЕО, установлено, что величина выноса песка через фильтр зависит главным образом от размера поровых каналов. Существенное значение при этом имеет и структура порового пространства.
Анализируя данные ряда исследований различных вяжущих для получения фильтровых блоков, видим, что их параметры определяются не только размером формуемых частиц, но и видом клеящего материала, его дозировкой для смеси, способом и степенью уплотнения смеси, формой частиц (гравий или крошка), т. е. технологией изготовления блоков.
В качестве расчетного параметра принято брать расчетный коэффициент фильтрации коф,. находящийся в прямой зависимости ст пористости п и квадрата среднего диаметра пор D:
koi,= l8,$nD2lv (IV. 10)
(v — кинематический коэффициент вязкости).
В расчете фильтров блочного типа учитывается не только размер пор, но и структура порового пространства. Решение поставленной задачи, таким образом, следует искать в соотношении коэффициентов фильтрации блоков и водоносных песков.
Искомая зависимость для подбора фильтров блочного типа была получена из анализа уравнения (IV.10), проведенного с целью выявления характерных точек семейства кривых:
А» = ф(4)1*=const (IV. 11)
(кф — коэффициент фильтрации блочного фильтра на контакте с породой; k — коэффициент фильтрации пласта).
ТАБЛИЦА 54
Рациональные соотношения коэффициентов фильтрации блоков и водоносных песков для подбора фильтров
k, м/сут *оф. М/СУТ k, м/сут \>ф, “/сут *оф/*
2 300 150 25 2500 100
5 650 130 40 3600 90
10 1200 120 60 4800 80
15 1600 107
После вычислений, результаты которых сведены в табл. 54, была построена кривая рационального подбора фильтров (рис. 67).
Функция, изображающая данную кривую, может быть аппроксимирована зависимостью вида
185/|<Г (IV. 12)
180
Решая это уравнение относительно &оф, получаем формулу для подбора фильтров блочного типа
/гоф = 185А-0’8 или Лад ^1006. (IV. 13)
Зависимость (IV. 13) косвенно подтверждает известное положение о том, что наибольший эффект от применения гравийного фильтра в скважине получается при его работе в условиях тонко- и мелкозернистых песков. В более крупных песках влияние обсыпки на приток воды к скважине снижается, о чем свидетельствует уменьшение рационального соотношения k^lk по мере приближения величин k и &Оф-
РИС. 67. Кривая для подбора фильтров гравийного типа: xz — фильтры блочного типа; б — фильтры с рыхлой гравийной обсыпкой
При пользовании кривой (рис. 67, а) для подбора фильтров блочного типа по известному коэффициенту фильтрации породы находим отношение ko^k и затем необходимый для данных условий коэффициент фильтрации блоков k0$. Проще кОф можно определить непосредственно по формуле (IV.13). Принципиально эта зависимость может быть использована также и для подбора фильтров с рыхлой гравийной обсыпкой. Если перейти к соотношению диаметров частиц обсыпок и песков, учитывая, что их проницаемость пропорциональна квадрату эффективного диаметра слагающих частиц, получим новую кривую для подбора гравийных фильтров (рис. 67,6), аналогичную кривой на рис. 67, а.
Рациональное отношение £>so/^so в зависимости от dio, как следует из графика, находится в пределах 9—12, что согласуется с указанными выше рекомендациями для подбора гравийных фильтров. Кривая на рис. 67, б с определенной степенью точности может быть использована также для подбора фильтров блочного типа.
§ 32. Расчет гравитационных фильтров
Особенность гравитационных фильтров заключается в том, что размеры их водоприемных отверстий значительно превышают размеры песчаных частиц или частиц гравийной обсыпки. Таким об
181
разом, водоносный грунт или материал обсыпки, находящийся в водоприемных отверстиях, имеет свободную выходную поверхность, не перекрытую сетками или дырчатыми перегородками. В таких условиях при некоторых критических значениях скорости фильтрации Удоп не связанные между собой частицы водоносной породы приходят во взвешенное состояние и, приобретая свойства плавучести, могут заполнить собой полость скважины.
Принцип работы гравитационных фильтров основан на уравновешивании фильтрационного потока, взвешивающего частицы водоносной породы и являющегося причиной выноса породы в скважину, силой тяжести фильтрующей среды. Следовательно, расчет гравитационных фильтров должен заключаться в определении в каждом конкретном случае допустимой входной скорости фильтрации. Зная величину одоп и суммарную площадь водоприемных отверстий фильтра, можно найти его пропускную способ? ность
С = Жоп. (IV. 14)
где N — число водоприемных отверстий на фильтре, расположенных ниже динамического уровня воды; f — площадь поперечного сечения одного отверстия.
Подставляя значение Q из формулы (IV. 14) в выражение для расчета скважин, получаем допустимую величину понижения уровня воды, которую необходимо знать при установлении режима эксплуатации скважин, оборудованных гравитационными фильтрами.
Исходя из условия равновесия силы тяжести и давления фильтрационного потока на единицу объема водоносного песка, Н. А. Карамбиров получил следующую формулу для определения допустимой скорости фильтрации воды через водоприемные отверстия гравитационного фильтра:
«доп = (1- п) (у-1), (IV.15)
где т]1 — коэффициент запаса, принимаемый равным 0,5—0,7; р— коэффициент, зависящий от угла а — угла естественного откоса (рис. 68); k — коэффициент фильтрации породы или гравийной обсыпки, определяемый опытным путем; п — пористость породы или гравийной обсыпки; у —плотность породы или обсыпки.
Из анализа формулы (IV.15) следует, что »Доп<&, так как т]1 = 0,5н-0,7; р< 1 и (1—п) (у—1)<1. Это значит, что при работе гравитационного фильтра в мелкозернистых песках, имеющих небольшой коэффициент фильтрации, входные скорости будут незначительными. Кроме того, приведенные расчеты позволяют представить зависимость (IV. 15) в виде приближенной формулы для определения допустимой скорости фильтрации одоп»0,брА
Производительность скважин, оборудованных гравитационными фильтрами, может быть значительно увеличена, если обсыпка фильтров будет из крупнозернистого материала (гравия). В этом случае для расчета допустимой входной скорости фильтрации бе
182
рут исходные данные гравийной обсыпки k, т, у. Крупность же гравийного материала подбирается согласно рекомендациям для подбора фильтров с гравийной обсыпкой.
§ 33. Подбор фильтров наблюдательных скважин
Для обеспечения надежной интерпретации данных режимных наблюдений необходимо получить представление о том, в какой мере водоприемная часть наблюдательной скважины «отфильтровывает» естественные колебания напоров (уменьшает амплитуду
уровня, смещает колебания по фазе, изменяет частоту колебаний). До настоящего времени формулированию требований к конструкции водоприемной части пьезометрической скважины не уделяется должного внимания. Вероятнее всего, это связано с рассмотрением в гидрогеологической практике естественных колебаний напоров, характеризующихся относительно медленными изменениями последних.
Применяемые в США и в ряде других стран способы опробования наблюдатель
РИС. 68. Зависимость коэффициента р от угла а
ных скважин основываются на импульсном их возмущении с прослеживанием характера и времени восстановления напора. Со-
поставление характеристик передачи дав-
ления в скважине и в пласте (естественная пьезопроводность)
позволяет судить о возможных погрешностях в регистрации пластового давления. Упомянутые методы, развиваемые в последние годы К Л. Киппом и Дж. М. Блэком, в общем носят пассивный характер. Они позволяют рассматривать скважину как датчик давления (напора), но не ориентируют на необходимый тип фильтра и его гидравлические параметры.
Рассмотрим закономерности изменения частотных и амплитудных характеристик колебаний напоров (уровней) в зависимости от сопротивления водоприемной части скважины, выравнивания кривой естественных колебаний в скважинах со слабопроницаемой прифильтровой зоной и фильтром, или, иначе говоря, со значительным скин-эффектом. Существенный интерес представляет разработка методики оценки параметров скважин, позволяющей осуществлять проектирование скважин в зависимости от предполагаемой частоты измерений и назначения режимных данных. На этой основе могут быть сформулированы требования к конструкциям фильтров наблюдательных скважин.
При опытно-фильтрационных работах (ОФР) и постановке режимных наблюдений основным измеряемым параметром остается уровень подземных вод, значительно реже давление или поровое давление. Между тем характер возмущения водоносного пласта как при ОФР, так и при анализе гидродинамического ре
183
жима может быть весьма различным: откачка воды из скважины; импульсное воздействие путем экспресс-опробования подкачкой сжатого воздуха в опробуемую выработку с последующим мгновенным снятием давления; создание в пласте упругих колебаний, например взрывом кумулятивного заряда, периодические.
Колебания'пластового давления на орошаемых массивах; неравномерное действие водозаборных сооружений или источников подтопления промышленных площадок и т. д. Оценку фильтрационных параметров пластов в этих разнообразных условиях, проектирование и автоматическое регулирование водозаборных и дренажных систем, особенно оперативное, в настоящее время нельзя осуществлять без анализа действия наблюдательных скважин. Н. А. Огильви показал, что инерционность наблюдательных скважин, относительно меньшая проницаемость их фильтров и прифильтровых зон по сравнению с пластовой становятся причиной существенного снижения амплитуды колебания уровня и фазового смещения колебаний, фиксируемого в пласте и в скважине.
Е. А. Ломакиным и А. С. Мироновым на основе изучения влияния объема и кольматации наблюдательных скважин на точность определения параметров также делается вывод о необходимости учета этих явлений и о существенной погрешности в оценке коэффициентов водопроводимости и водоотдачи, особенно при использовании начального участка прослеживания уровня.
Выход из этого положения представляется в непрерывном изменении уровня (давления) или в применении датчиков давления, в том числе порового. Однако сложившаяся практика гидрогеологических исследований, наличие стационарной режимной сети требуют такой постановки работ по изучению нарушенного и естественного режимов подземных вод, при которых искажение пластового пьезометрического режима было бы наименьшим или учитываемым. Особенно важно по-новому взглянуть на эксплуатацию наблюдательных скважин с позиций получения результатов наблюдений в различные периоды их проведения.
Комплексный анализ действия наблюдательных скважин
Момент, с которого начинается эффективная работа пьезометра, или время начала реагирования скважины [7]1 на внешнее возмущение (т. е., по существу, величина, пропорциональная запаздыванию t0 и фазовому углу <р) обычно оценивается, как а— =ro\ilkm. Связь между изменениями уровня в пласте So(ro, t) на внешней границе фильтров радиуса г0 и в стволе скважины S(t) определяется следующим выражением:
S (0 = S(ro, , (IV.16>
где £ — суммарное сопротивление фильтра и прифильтровой зоны, Ро — скорость изменения напора.
184
Изменение сопротивления в зависимости от изменения режима фильтрации и вида напряженно-деформированного состояния обобщенно учитывается приращением величины При таком подходе самое правильное относиться к фильтру наблюдательной скважины просто как к фильтру, искажающему сигнал. Величина искажения и характеризует эффективность работы фильтра и самой наблюдательной скважины как измерительного инструмента.
Величину этого искажения можно найти, установив зависимость й = £(г), определяющую связь между измеренными в скважине колебаниями уровня воды h(t) и изменением «истинного» пьезометрического напора z во времени t. Исследований, реализующих подобный подход к анализу эффективности работы наблюдательных скважин, сравнительно немного. Можно указать прежде всего на работы Н. А. Огильви [21] и М. Рикборста [43]. Последняя относится к анализу работы наблюдательной сети в целом.
Колебания уровня воды или напоров в пласте удобно представить как многоразмерное случайное поле [43]1. Величины колебаний уровней, напоров и давлений р могут быть описаны в общем виде функций g (х, у, z, t), где g — положение уровня воды, величина напора или пластовое давление в точке с координатами х, у, z в момент времени t. Функция g принимает скалярные значения, а переменные к, у, z, t образуют векторный четырехразмерный аргумент.
С точки зрения теории случайных процессов временная и пространственные координаты равноправны, поэтому в общем случае удобно рассматривать векторный аргумент поля в целом; g(x, у, z, t) =£(0. Случайное поле представляет собой множество реализаций функции £(/), некоторые из которых могут быть зафиксированы с помощью наблюдательных скважин (рис. 69). При описании и исследовании случайных полей различной природы широко используется спектральное разложение (разложение по Фурье).
С некоторым приближением можно представить себе случайный процесс колебаний уровней или напоров в пласте g(f), состоящий из дискретного набора гармонических колебаний. Тогда спектральное разложение функции c(t) приобретает вид конечной суммы
N
l(t) = ^Anexpi2nfnt, (IV. 17)
—N
где N — число слагаемых; Ап — комплексные амплитуды составляющих колебаний; fn — частоты колебаний.
Обычно определяют функцию £(£) в области 0—N и оперируют с модулями амплитуд. Такое представление позволяет выделить в изучаемом процессе конечный ряд гармонических колебаний. Например, приведенный на рис. 69 процесс изменения уровней в скв.
185
93' может быть представлен как результат суперпозиции трех гармонических колебаний с различными амплитудами Ап и частотами f(n) или периодами Тп: А = 0,32 м, 71 = 12,8 сут; Д2 = 0,14 м, 72 = 6,8 сут; Д3 = 0,1 м, 73=2,1 сут.
Набор значений Ап и соответствующих им частот fn (или периодов Тп) представляет собой амплитудный спектр процесса £((). При этом случайная функция времени заменяется случайной функцией частоты колебаний. Если спектр представлен в относительных единицах дисперсии колебаний уровней, то можно говорить о
РИС. 69. Кривая колебания уровня в скв. 93 в зоне Краснодарского водохранилища
\
V V V
0,3
0,2
0,1 , -7
0,039 0,055' 0,1fn,сут'
РИС. 70. Спектры колебаний уровней в скв. 33 в зоне Краснодарского водохранилища (1976 г.)
спектральной плотности дисперсии или об энергетическом спектре процесса (рис. 70).
Использование энергетических спектров удобно при сравнении эффективности различных фильтров при некоторой неоднозначности условий их испытаний. В некоторых случаях эффективность фильтра может быть определена с учетом фазового спектра колебаний.
Значение fc, соответствующее гармонике самого высокого порядка, называется частотой среза и характеризует пространственно-временную протяженность самой мелкой детали графика колебаний уровня грунтовых вод. При выделении числа составляющих гармоник целесообразно учитывать, что даже небольшое число членов ряда Фурье (8—10) обеспечивает сравнительно точное воспроизведение исходной функции g(f), если она не имеет разрывов. Обычно же в спектре пьезометра достаточно выделить три-четыре уровня амплитуд.
Любая реальная наблюдательная скважина, оборудованная фильтром, обладает инерционностью и имеет ограниченную полосу
1 Здесь и далее в качестве тестовых используются расчеты по скважинам наблюдательной сети в нижнем бьефе земляной плотины Краснодарского водохранилища.
186
пропускания. Инерционность фильтра и столба воды в скважине проявляется в усреднении близких по времени значений процесса 5(0, так что в скважине фиксируется не истинный процесс изменения уровней и напоров в пласте 5(0, а некоторый процесс
со
(iv.18)
—оо
где —нормированное изменение уровня в скважине при
импульсном воздействии.
Инерционность наблюдательной скважины, как и любого измерительного устройства, неустранима, но может быть сведена к минимуму путем уменьшения массы движущегося столба воды и сопротивления фильтровой части. Инерционность характеризуется параметром to, равным времени, в течение которого показания измерительного устройства уменьшаются в е раз по сравнению с показателями в момент импульсного воздействия. Отклик на импульсное воздействие h(t) при этом имеет форму экспоненциально спадающей функции:
й(0=-^ехр (IV.19)
Параметр t0 можно отождествить с величиной запаздывания. Запаздывание to, вообще говоря, не является для данного фильтра величиной постоянной; оно может быть различным для разных частот и амплитуд колебаний и связано с ними нелинейно. Систему пласт — скважина обычно считают линейной; описание ее работы часто дается с помощью линейной модели. Действительно, при регистрации длиннопериодных колебаний уровней влияние нелинейности на точность измерений пренебрежимо мало. При регистрации короткопериодных колебаний (например, при опробовании пласта экспресс-методами, взрывом и т. д. [7]) необходимо учитывать нелинейность системы, сказывающуюся не только в простом уменьшении амплитуды колебаний, их фазовом сдвиге или изменении частоты, но и в специфическом, избирательном характере таких изменений.
По неизменности экспериментально полученных отношений двух последовательных полуразмахов колебаний hi-i/hi можно судить, насколько сопротивление скважины можно считать линейным. В ряде случаев по величине логарифмического декремента затухания
6=ln-^L«_^L (IV.20)
можно ориентировочно оценить эффективность работы скважины. Более корректно это можно сделать по соотношению спектральных характеристик изменчивости записей колебаний. Иначе говоря, чем богаче спектральный состав фиксируемых скважиной колебаний, тем выше эффективность скважины вне зависимости от
187
РИС. 71. Спектры колебаний уровней по режимной сети скважин створа № 10 Краснодарского водохранилища
того, будут ли эти колебания давления в пласте (при импульсном воздействии) или колебания уровней. Можно пояснить это положение на примере ряда наблюдательных скв. 91, 93, 95 и 97. На рис. 71 приведены спектры колебаний уровней по этим пьезометрам.
Относительный критерий эффективности, который можно определить как f]=Si/Tit у всех скважин (за исключением скв. 97, где г) = 0,01 сут"1) примерно одинаков и равен 0,013 сут"1 в области длинно-периодных колебаний и ц = 0,015— 0,020 сут-1 в области короткопериод-ных колебаний. Однако скв. 95 более активно реагирует на внешнее воздействие. На фазовой диаграмме по этой скважине прослеживаются три-четыре фазовых уровня, им соответствуют три пика на спектральной кривой в области высоких частот. Большая эффективность работы скв. 95 в интересующем нас диапазоне частот, возможно, связана не только с качеством ее фильтра, но и с удачным его местоположением («эталонная» скважина).
По спектрам наблюдательных скважин можно оценить как эффективность их работы, так и необходимую периодичность наблюдений. Например, на спектральных кривых (рис. 71) отмечаются колебания с периодами 7=11; 16; 21; 28 сут. В зависимости от задач исследований можно выбрать соответствующую периодичность наблюдений. Спектральный анализ как метод при этом эффективнее предложенного в свое время Н. Е. Альтов-ским периодограммного анализа.
В связи с проблемой оптимизации замеров , и определения необходимой частоты наблюдений (и частоты рас
положения скважин) целесообразно воспользоваться фундаментальными положениями теории информации. Теорема В. А. Котельникова гласит, что любую непрерывную функцию h(t) можно представить дискретным рядом значений ht, h2, .... ht, следующих друг за другом с интервалом At= l/2fc=7min/2, где fc — частота, ограничивающая спектр процесса, — частота среза; Ттш — минимально различимый период изменчивости ряда h(t). Отсюда следует, что если в спектре процесса присутствует период 7min=2 4, то частота наблюдений процесса не должна превышать 1 ч. Если же спектральным анализом режимных наблюдений установлено, что преобладающая длина волны колебаний уровней подземных
188
вод составляет, например, 1,7 км, то расстояние между наблюдательными скважинами в соответствии с теоремой В. А. Котельникова надо принять равным 0,85 км.
Вообще, выбрав необходимую для наблюдений (оптимальную) амплитуду колебаний уровней и определив по спектру соответствующий ей временной или пространственный период изменчивости Т'опт, можно тем самым найти оптимальную частоту и шаг наблюдений А/ или Ах=0,5Топт. Конечно, процесс изменения напоров в--пласте, строго говоря, не является функцией с ограниченным спектром, и это накладывает ограничения как на подобный способ’ оценки частоты и пространственного шага замеров, так и на самый метод определения уровней или пластовых давлений, но использование спектральных методов позволяет оценить чувствительность основного элемента режимной сети — наблюдательной скважины и ее водоприемной части, а также комплексно определить эффективность сети в целом с внесением необходимых коррективов.
Методика оценки состояния наблюдательных скважин
Техническое состояние сети наблюдательных скважин обычно оценивается контрольными прокачками, при этом для его положительной оценки предполагается достаточным восстановление уровня' до первоначального (условно статического). В то же время очевидна необходимость выработки критериев, объективно отражающих способность наблюдательной скважины (пьезометра) фиксировать близкое к истинному пластовое изменение напора.
Применяемые в США и в ряде других стран способы опробования наблюдательных скважин основываются на импульсном их возмущении с прослеживанием характера и времени восстановления напора. Сопоставление характеристик передачи давления в. скважине и в пласте (естественная пьезопроводность) позволяет судить о возможных погрешностях в регистрации пластового давления [35]. Почти во всех случаях речь идет прежде всего о фиксации изменения уровня в скважине, т. е. о «пластическом» деформировании водоносного пласта (даже когда упоминаются так называемые упругие гидравлические характеристики — пьезопроводность, водоотдача). При этом инерционность наблюдательной скважины фактически оценивается применительно к той характеристике пласта, которую можно условно назвать аналогом модуля деформации (Едеф).
В этой связи можно отметить, что испытания пластов обычными откачками и наливами, по существу, являются не чем иным,, как длительными испытаниями грунтов пробными нагрузками. При этом определяются реологические свойства водоносных пластов. Испытания же пластов импульсными нагрузками (ударом, взрывом) не практикуются, хотя данные, которые можно при этом получить (условно назовем их аналогами Еупр) прямо и однознач
18»
но связаны с £деф. Так, Н. Н. Ходжибаевым и другими авторами импульсного взрывного метода исследования водоносного пласта усматривается прямая аналогия между законом Дарси и законом, описывающим распространение в среде волны сжатия. Отмечается, что коэффициент диссипации энергии взрыва в среде тесно связан с коэффициентом фильтрации.
Таким образом, данные об эффективности работы фильтра наблюдательной скважины можно получиить, используя как статическое, так и динамическое импульсное воздействие на систему пласт — пьезометр. Как уже указывалось, удобно представить пьезометр (наблюдательную скважину) как систему, служащую фильтром колебаний уровня воды или напоров в пласте. Характеристики этого фильтра зависят от объема скважины, сопротивления фильтра, проницаемости пласта, вида функции изменения напора в пласте. Объем скважины и сопротивление фильтра и прифильтровой зоны прежде всего обусловливают инерционность.
В практике опытно-фильтрационных исследований обычно считают пьезометры безынерционными системами. Однако, как указывается в ряде работ [7, 21, 35]', инерционность скважин существенно влияет на точность определения параметров пластов и режимных данных (особенно, когда речь идет о наблюдательных скважинах в слабопроницаемых отложениях, при производстве экспресс-опробования или фиксации короткопериодных колебаний уровней).
Анализ показал, что для условий напорного пласта, вскрытого совершенной скважиной, инерционность, вызванная кольматажем, весьма существенно меняет измеряемые напоры в пьезометре [19]. В пределах времени, определяемого по приведенной ниже формуле, при применении стандартных методов обработки данных откачек ошибки в вычислении водопроводимости пласта составляют 50—60%, поскольку пьезометр как бы «фильтрует» колебания давления в пласте с большим запаздыванием:
fmIn~10-^(l+0,6-b-ln4-Y (IV.21)
' 2 \ ' 1 Гс )
где w и гс — соответственно площадь поперечного сечения и радиус скважины; Т2, Т\—соответственно проводимость пласта и прискважинной зоны; L — радиус области кольматажа.
Незакольматированный пьезометр также характеризуется инерционностью, хотя и меньшей. Инерционность этого фильтра вызывает запаздывание сигнала на выходе (фазовый сдвиг сигнала, характеризующийся временем tain). Кроме того, в любом случае наблюдается амплитудная и частотная «фильтрация» естественных колебаний уровней (напоров). Пьезометром могут быть не отмечены колебания напора меньше определенной величины или меньше определенной продолжительности. Следовательно, эффективность работы пьезометра может быть охарактеризована такими параметрами:
1) <₽ (или Лп1п) —запаздывание (фазовый сдвиг);
190
2) ftmin — амплитудная чувствительность (h — амплитуда колебаний уровня);
3) Гт1п — частотная чувствительность (Т — период регистрируемых колебаний).
Иначе говоря, в пьезометре с помощью уровнемера (или другого прибора, фиксирующего уровень воды или давление в сква-
жине) регистрируется некая функция, отличающаяся по частотно-
амплитудным характеристикам от колебаний напора в пласте, и как правило, сглаженная в области высоких частот (малых перио-
дов) колебаний (рис. 72).
Схему испытания качества фильтров можно представить себе следующим образом. Фильтр устанавливают в песчаном грунте.
В зафильтровом пространстве и в скважине размещают сейсмоприемники (например, СВ-30 или СГ-10). Колебания возбуждают ударом. Сигналы с обоих датчиков регистрируются шлейфовым осциллографом. Сравнение спектральных кривых обеих записей позволит оценить эффективность работы фильтра в той или иной области частот. Сопоставление полученных таким образом характеристик для двух областей работы пласта (т. е. с параметрами Еупр и £Деф) позволяет построить тарировочные графики и в дальнейшем испытывать фильтры только в области £упр.
РИС. 72. Спектральная плотность дисперсии колебаний напоров в-пласте 1 н пьезометре 2
Параметрическая (по <р, hmin и Tmin) оценка эффективности работы пьезометра или системы пьезометров может оказаться недостаточной. Альтернативный метод оценки состоит в определении функции согласованности (когерентности) работы пьезометра и пласта, функций их взаимной корреляции, автоспектров и взаимного спектра (коспектра). Для этого можно использовать много-
численные программы, позволяющие получить все эти функции как в численном виде, так и в графическом представлении.
Таким образом, технически кросскорреляционный или спектральный анализ рядов режимных наблюдений затруднений не представляет. Вопрос, однако, состоит в том, как в этих рядах выбрать эталон и критерий, т. е. какой ряд наблюдений принять за
истинную характеристику динамики напоров в пласте, а какие пороговые значения перечисленных функций (критериальные значения) принять за основу при оценке эффективности работы пьезометра. По-видимому, за эталон следует принять характеристики наименее инерционного, с богатым спектром пьезометра данной группы или оценивать работу пьезометров по отношению к ряду наблюдений с помощью датчиков давления (манометров), установленных в пласте.
19t
В качестве примера спектральной оценки Эффективности работы пьезометра использованы данные из работы Н. А. Огильви ,[21], а также данные ВНИИВОДГЕО по исследованию режима подземных вод в нижнем бьефе Краснодарского водохранилища. Изменчивость вариационного ряда можно оценить величиной его
РИС. 73. Спектры колебаний уровня воды по двум скважинам (створ № 5 Краснодарского водохранилища)
РИС. 74. Кривые взаимной корреляции между колебаниями уровней воды в скв. 31 и 33 в зоне Краснодарского водохранилища
.дисперсии в различных полосах частот или отношением дисперсии Si к соответствующему периоду колебаний 7\—i)s=Si/7’i.
Величина -qs для колебаний напоров в пласте, согласно приведенной выше формуле, составляет 0,34 ч-1 в полосе низких частот и 0,4 ч-1 в полосе высоких частот. Для пьезометра соответствующие значения t)S составляют 0,21 и 0,26 ч-1. Тогда эффективность работы пьезометра в низкочастотной области спектар (при больших периодах колебания 7) оценивается величиной ц*=г)8пьезом /цзпл в =0,68, а в области высоких частот т]* = 0,57, т. е. пьезометр действует как полосовой фильтр и вдобавок характеризуется некото
192
рой инерционностью (запаздыванием). По графику в работе [21 ]' фазовый сдвиг <р = 5 ч.
Другой пример приведен на рис. 73, где сопоставлены спектры колебаний уровней в двух наблюдательных скважинах, что позволяет оценить относительную эффективность их работы, используя соотношение т]8=54/Т<. Скв. 31 эффективнее работает в диапазоне среднечастотных колебаний уровней с периодами 15—20 сут (показатель эффективности r)S=0,012 сут-1 по сравнению с 0,008 сут-1 по скв. 33). С другой стороны, скв. 33 более энергично реагирует на короткопериодные колебания уровней (показатель эффективности достигает 0,11 сут-1 при периоде колебаний, равном 2 сут).
Здесь необходимо сделать несколько замечаний, касающихся как вообще оценки эффективности работы скважины, так и учета спектральных характеристик скважины в качестве измерительного прибора. Эти замечания должны быть сделаны прежде всего в связи с тем, что намечается тенденция ограничиться в оценке эффективности работы опытной скважины или пьезометра каким-либо одним параметром, например временем начала реагирования /0 [35]. При обработке данных экспресс-опробования по эталонной кривой для найденного значения t0 выбираются величина входного импульса Но и условие HfHo, которому должна удовлетворять опытная (или наблюдательная) скважина, для того чтобы адекватно отражать изменение напора в пласте. Однако величина сглаживания выходного сигнала по амплитуде (отраженная в условии Н/Но) в общем случае может быть связана не только с параметром запаздывания t0. Следовательно, используемые при обработке результатов экспресс-опробования эталонные графики показывают лишь одну из возможных характеристик пьезометра как фильтра колебаний. Оценка эффективности пьезометра только по величине t0 (или фазовому сдвигу <р) удовлетворительна лишь при условии, что входной сигнал есть дельта-функция (единичный импульс).
Большую помощь в оценке эффективности работы как отдельного пьезометра, так и наблюдательной сети в целом может оказать кросскорреляционный анализ. Этот вид анализа начинает использоваться при создании гидрогеологических прогнозирующих алгоритмов. Необходимо подчеркнуть его перспективность при сравнительной оценке различных скважин режимной сети. В качестве примера на рис. 74 приведены кривые корреляции между колебаниями воды в Краснодарском водохранилище и в скв. 31 и 33. Наблюдательные скважины реагируют на колебания уровня водохранилища с различной степенью запаздывания, а для некоторых периодов колебаний пьезометры даже работают в противофазе. Здесь следует отметить, что фазовый сдвиг <р может быть различен для разных частот колебаний и изменяться во времени в процессе «старения» скважины.
Прослеживая аналогию между колебаниями напоров в пьезометре и фильтре, можно показать, что если на вход фильтра подается несколько сигналов, а характеристики фильтра не меняют
13—643
193
ся во времени, то в момент времени t реакция фильтра h*(t) на последовательность сигналов Цп) при некоторых условиях представляется в виде
й*(0 = 2°^(п)’ (IV.22)
где atn —реакция пьезометра на единичный импульс, приложенный к системе в момент времени tn-
График функции h*(t) представляет собой прямую линию или может быть аппроксимирован отрезками прямых линий (поскольку пьезометр в общем случае не является линейным фильтром) в различных областях частоты. При таком представлении эффективность работы пьезометра (чувствительность) можно охарактеризовать величиной
Па = 2^п/2С(п), (IV.23)
где и 2£(п)—накопленная сумма изменений напоров соответственно в пьезометре и пласте.
В качестве иллюстрации рассмотрим рис. 75, построенный с использованием данных из работы [21]. На графике по оси абс-суммы изменений напоров за интервалы времени At, по оси ординат — накопленные суммы изменений напоров по данным пьезометра. Угловой коэффициент различен в области высоких и низких частот. В области высокочастотных колебаний уровня эффективность работы пьезометра определяется tga=0,83, а в низкочастотной области — tga«l,00 (для оценки tga шаг дискретизации исследуемого процесса At может быть принят в зависимости от того, какая область колебания уровня нас интересует: чем меньше tga, тем, следовательно, менее эффективно работает пьезометр в данном частотном интервале). <
Оценка эффективности работы пьезометра по величине tga или по степени коррелированности изменений давления в пласте и пьезометре является комплексной. Поскольку допускается линейная аппроксимация графика, необходимо определить достоверность такой оценки (например, обычным путем определения достоверности коэффициента корреляции). Естественно, что такая же методика оценки эффективности может быть использована и в случае группы пьезометров. За эталон при определении функции £(п) в этом случае принимается один из пьезометров группы.
цисс отложены накопленные
РИС. 75. График функции г]а-
1 — высокочастотные колебания уровня, tg «1=0,83; 2 — низкочастотные колебания уровня, tga2=l
194
Требования к фильтрам наблюдательных скважин
Требования к фильтрам наблюдательных скважин должны быть дифференцированы в зависимости от их назначения: при кратковременных испытаниях в ходе опытно-фильтрационных работ и в скважинах стационарной наблюдательной сети. Когда длительность опытных работ не превышает нескольких месяцев, следует ориентироваться на использование конструкций фильтров, коэффициент водопроницаемости которых близок к коэффициенту фильтрации пласта. Коэффициент фильтрации фильтра оценивается по методике прослеживания разбавления индикатора в специальном лотке [7]'. Близость фильтрационных характеристик пласта фильтра — надежная предпосылка получения адекватных изменений напора в пласте и наблюдательной скважине. Этому условию без устройства переходного слоя гравийной или песчаной обсыпки удовлетворяют многие конструкции фильтров, в том числе фильтры из штампованных материалов, проволочные, а также сетчатые. Конкретный выбор той или иной конструкции определяется технологичностью ее производства и экономическими предпосылками.
В скважинах стационарной режимной сети следует учитывать возможность изменения проницаемости водоприемной поверхности и в этих условиях стремиться к относительно более высоким фильтрационным характеристикам, что может быть реализовано в фильтре из штампованных материалов и проволочных. Устойчивость и сопоставимость фиксируемых в таких скважинах изменений уровня или напора в зависимости от процессов кольматации должны исследоваться специально.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Эффективность работы пьезометра или группы наблюдательных скважиин может оцениваться с помощью ряда комплексных параметров:
а) пьезом/т]впл (где T]s=Si/Ti) и фазового сдвига;
б) углового коэффициента t)s(O-
Альтернативный метод оценки состоит в определении функции когерентности G, функции взаимной корреляции RK либо функции взаимного спектра SK для пьезометра и пласта. Истинная динамика напоров в пласте оценивается по наиболее чувствительному пьезометру или специально установленным в пласте датчиком давления. Вопрос о числе таких точек, необходимых для калибровки всей режимной сети, должен решаться как задача оптимизации для гидрогеологических условий конкретного региона или отдельного участка с учетом спектральных характеристик сети. Для ориентировочных оценок целесообразно использовать теорему В. А. Котельникова.
Те же критерии можно применять для определения эффективности и условий импульсного возмущения пласта. Колебания при этом возбуждаются взрывом или достаточно мощным ударом
13*
195
вблизи исследуемой скважины. При регистрации ударных волн нужна соответствующая аппаратура, например сейсмическая, но схема проведения опыта упрощается, и длительность его может быть сокращена.
Сравнение регистрограмм колебаний в точке возмущений и в пьезометре позволяет установить не только качество пьезометра как измерительного инструмента, но и определить характеристики пласта, его проводимость, пьезопроводность и другие без проведения обычных опытно-фильтрационных работ или с минимальным их объемом. Вопрос этот, однако, мало изучен и требует проработки в натурных и лабораторных условиях (методами физического и аналогового моделирования).
Получение сопоставимых данных по режиму подземных вод в разные периоды времени должно быть обеспечено поддержанием, стабильного действия наблюдательных скважин, т. е. регистрацией амплитудных и частотных характеристик скважины. Надежная регистрация изменения уровня напора подземных вод может быть обеспечена использованием в скважинах фильтров с коэффициентом водопроницаемости, равным или превышающим водопроницаемость пласта. Для этой цели при оборудовании наблюдательных скважин можно применять фильтры из штампованных материалов, проволочные и значительно реже сетчатые.
В общем же для полного и детального обоснования типа фильтров наблюдательных скважин необходимы более длительные экспериментальные исследования спектральных характеристик фильтров, позволяющих дифференцировать целесообразность применения той или иной конструкции в зависимости от назначения наблюдательных скважин и характера создаваемого в них возмущения.
ГЛАВА V.
УСТАНОВКА ФИЛЬТРОВ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ БУРЕНИЯ И ИХ ОСВОЕНИЕ
§ 34. Установка фильтров
при ударно-канатном бурении
При этом способе ствол скважины в процессе бурения крепят обсадными трубами, а фильтры устанавливают с последующим их извлечением. Когда обсадные трубы доведены до водоупора, фильтр спускают в ствол, очищенный от бурового шлама и песчаных пробок. В скважинах, забой которых не доведен до водоупора, для предотвращения попадания пород в ствол фильтр следует устанавливать при обратном напоре воды, создаваемом искусственной подкачкой, или под защитой временного глиняного тампона, сооружаемого на забое скважины.
При бурении ударно-канатным способом для отбора воды из рыхлых отложений, представленных породами различной крупности, применяются фильтры с водоприемными поверхностями из сеток, проволоки, просечного листа, перфорированных и щелевых каркасов, а также с гравийной обсыпкой и без нее.
Фильтры с сетчатым покрытием
При установке этих фильтров соотношение диаметров обсадных труб и фильтров может быть предельно минимальным. Например при обточенных муфтах фильтры диаметром 168 мм можно устанавливать в 219-мм трубах. В скважинах с минимальным межтрубным зазором в случае каптирования песков плывунного типа при установке сетчатых фильтров возможно образование песчаных пробок и заклинивание фильтра в колонне. В результате этого при обнажении фильтр будет подниматься вместе с обсадной колонной. Для освобождения от заклинивания часто производится посадка фильтров с помощью забивных снарядов, однако при этом может повреждаться сетка. Для предотвращения этих явлений рекомендуется в колонну подливать воду с целью создания обратного напора, а также размывать пробки путем подачи воздуха или воды в зазор между колонной и фильтром по трубам диаметром 12,7—25,4 мм.
Сетчатые фильтры можно устанавливать на колоннах того же диаметра либо впотай. Второй вариант более предпочтителен, так как он позволяет при необходимости заменять фильтры, однако это возможно не во всех гидрогеологических условиях. При установке фильтров впотай длина надфильтровой трубы должна быть такой, чтобы верхний ее край находился внутри рабочей колон
197
ны. Длина надфильтровой трубы зависит от того, в каких грунтах устанавливается фильтр и какая принята изоляция для защиты от проникновения песка в скважину по пространству между фильтром и рабочей колонной.
В мелкозернистых песках плывунного типа, в которых при бурении возникают песчаные пробки, надфильтровые трубы следует делать длиннее, чем в крупнозернистых и гравелистых песках. При установке фильтров в песках плывунного типа, когда для закрытия пространства между надфильтровой трубой и обсадной колонной применяют сальник или создают водяной столб для противодавления, надфильтровые трубы могут быть и более короткими. Однако эти трубы должны входить в рабочую колонну не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 4 м при большей глубине.
Пространство между фильтром и обсадной колонной перекрывается сальником. В настоящее время применяются сальники различных конструкций; от самых простых пеньковых до свинцовых. Широкое распространение получили сальники с резиновым уплотнением.
Как показал опыт эксплуатации, скважины с сетчатыми фильтрами работают, как правило, неудовлетворительно. Причинами являются механическое заклинивание фильтров и процессы электрохимической коррозии, возникающие вследствие применения в фильтрах металлов с различными электрическими потенциалами. Но на первом этапе эксплуатации основное значение имеет механическое — заклинивание фильтров. Поэтому в некоторых организациях сетчатые фильтры галунного плетения устанавливали под защитой контура гравийно-песчаной обсыпки толщиной 50 мм на сторону. Результат оказался положительным. Такой эксперимент был проведен в скважинах Бернардинского водозабора в Вильнюсе при эксплуатации вод неустойчивого химического состава. В результате этого увеличился начальный дебит скважин, а также срок их эксплуатации более чем в 2 раза.
Фильтры с однослойной гравийной обсыпкой
В зависимости от способа сооружения скважин однослойные гравийные обсыпки делятся на тонкослойные (толщина обсыпки 35—50 мм) и уширенного контура (толщина обсыпки 75—100 мм и более).
Устройство тонкослойной гравийной обсыпки с помощью рабочих колонн. В скважинах глубиной до 100 м гравийные обсыпки производятся при подъеме рабочих колонн. Между их внутренней поверхностью и фильтровым каркасом засыпают гравий, подобранный в соответствии с гранулометрическим составом окружающих пород. В скважинах средних глубин обсыпка выполняется обычным способом, т. е. при свободном падении частиц гравия на забой через слой воды в межколонном пространстве.
198
Во избежание расслоения засыпки на забое рекомендуется гравий засыпать большими порциями, равными по объему и высоте) намечаемому обнажению фильтра, т. е. 1—2 м. Колонны поднимают через несколько минут после того, как прекратится шелестящий звук, издаваемый гравием при соприкосновении со стенками трубы во время его падения на забой. Если зазор между обсадной и фильтровой колоннами на сторону составляет 100 мм и более, гравий можно засыпать через вспомогательные трубы малого диаметра, опущенные на забой. По мере обсыпки фильтра трубы приподнимают.
При однослойной обсыпке следует иметь в виду, что объем гравия, определенный геометрическим расчетом, не совпадает с фактическим, особенно при сооружении обсыпок в мелкозернистых песках, где наблюдаются усадка и растекание гравия. При обсыпках рекомендуется иметь запас на 20—25% более расчетного. Как показал опыт, тонкие гравийные обсыпки не обеспечивают надежной работы фильтров, поэтому стремятся делать обсыпки уширенного контура. Однослойные обсыпки уширенного контура можно сооружать одним из следующих способов.
Гравийная обсыпка уширенного контура при прокачке фильтра эрлифтом. Перед подъемом обсадных колонн в фильтр опускают эрлифт. Водоподъемная труба последнего находится на высоте 0,5 м от дна фильтра, где она остается весь период его обнажения. Обсыпка фильтра гравием производится при непрерывной работе эрлифта, вовремя которой на поверхность выносятся породы, проникающие в фильтр через обсыпку и каркас. Под влиянием выноса породы из прифильтровой зоны контур обсыпки расширяется (рис. 76).
Недостаток этого способа заключается в том, что фильтрующая поверхность по мере обнажения фильтра увеличивается, а водоприток уменьшается. Поэтому верхние участки гравийной обсыпки остаются слабопрокачанными и более тонкими, чем нижние. При таком способе устройства гравийных фильтров расход гравия возрастает в 1,5—2 раза по сравнению с расчетным. Для прокачки применяются компрессоры с подачей 6—10 м3/мин и давлением, соответствующим глубине погружения труб эрлифта.
Однослойная гравийная обсыпка уширенного контура при прокачке фильтра «скользящим эрлифтом». Для улучшения образования контура гравийных обсыпок В. М. Гаврилко разработан и внедрен способ «скользящего эрлифта» (рис. 77). Особенностью этого способа является движущаяся эрлифтная колонна, которая перемещается внутри фильтра по мере его обнажения. Для этого эрлифт оборудуют следующим образом: на нижнем конце водоподъемной трубы устанавливают наконечник с водоприемной решеткой, закрытой снизу глухим фланцем. К низу фланца прикрепляют сальник, состоящий из нескольких слоев резиновых колец-прокладок. Резиновые кольца вырезают по внутреннему диаметру фильтра и прикрепляют с помощью второго фланца и болта к первому. Наконечник привинчивают к водоподъемной ко-
199
РИС. 76. Устройство однослойной гравийной обсыпки при помощи эрлифта:,
I — обсадная труба; 2 — фильтр; 3 — гравий; 4 — эрлифт; 5 — шланг
РИС. 77. Устройство однослойной гравийной обсыпки при помощи скользящего эрлифта:
а — начальная стадия; б — промежуточная стадия; 1 — хомут; 2 — кондуктор; 3 — обсадная труба; 4 — направляющие фонари; 5 — воздушная труба; 6 — водоподъемная труба с решеткой; 7 — резиновый манжет с уплотняющим кольцом; 8 — рабочая часть фильтра; 9 — гравийная обсыпка
лонне и опускают на дно фильтра, при этом сальник плотно прижимается к внутренним стенкам.
После монтажа эрлифта обсадные трубы поднимают на высоту 1—1,5 м, обнажая установленный фильтр. Затем водоподъемную трубу закрепляют на обсадных трубах с помощью хомутов, после чего в пространство между рабочей колонной и фильтром засыпают гравий и включают эрлифт. Подсыпают гравий на забой с таким расчетом, чтобы его запас над нижним концом поднимаемой обсадной трубы составлял не более 1,5—2 м. Состояние гравия в забое контролируется шупом.
200
По мере прокачивания фильтра происходят усиленный вынос породы и замещение ее гравием. После некоторого осветления откачиваемой воды обсадную колонну снова поднимают на 1— 1,5 м, и вместе с ней на эту же высоту перемещается эрлифтная колонна. Уплотняющий сальник изолирует прокачанный участок от вышележащего непрокачанного. Для прокачки фильтра по всей длине операции повторяются. Как показывает опыт, расход
РИС. 78. Схема продвижения забоя и образования гравийной обсыпки при бурении скважины эрлифтом:
а — начальное положение; б, в, г, д — промежуточные положения; 1 — воздушная труба; 2^ водоподъемная труба; 3 — хомут; 4 — рабочая колонна; 5 — кондуктор; 6 — диффузор; 7 уровень подземных вод; 8 — гравийная обсыпка; 9 — порода водоносного горизонта
гравия при данном способе устройства обсыпки увеличивается в 2,5—3 раза по сравнению с обычной засыпкой.
Геометрический расчет количества гравия, израсходованного на засыпку, показывает, что контур гравийной обсыпки значительно расширяется и, следовательно, исключается необходимость применения колонн больших диаметров. Для этих работ могут быть использованы компрессоры с подачей 3—5 м3/мин и давлением, соответствующим глубине погружения труб эрлифта.
Гравийная обсыпка при одновременном бурении скважин эрлифтом. Для ускорения темпов работ, снижения стоимости, уменьшения диаметра бурильных труб, максимального расширения контура гравийной обсыпки и использования разнозернистого гравия предложен новый способ бурения, заключающийся в следующем. При очистке забоя в момент его обрушения наблюдается осевое
201
перемещение пород, прилегающих к стволу скважин. Следовательно, если в какой-либо точке разреза вымывать породу и вместо нее на той же глубине искусственно вводить гравелистый материал, то можно увеличить фильтрационные свойства пород на данном участке, не обрушая вышележащие слои пород.
Работы по предложенному способу ведут следующим образом: в начале бурения скважину закрепляют колонной большого диаметра (500 мм) в пределах пород, перекрывающих водоносный горизонт, или до верхней границы, где намечена установка фильтра. Затем опускают вспомогательную колонну труб диаметром на 150—200 мм меньше диаметра эксплуатационной колонны.
Минимальный диаметр вспомогательной колонны должен быть не менее 200 мм. В ней монтируют эрлифт, состоящий из водоподъемной колонны диаметром 100 мм и центрально расположенных воздушных 32-мм труб. На нижнем конце водоподъемной трубы монтируется диффузор, диаметр которого на 50—75 мм меньше диаметра вспомогательной колонны, предназначенной для подсасывания грунта по всему периметру забоя (рис. 78).
Рабочая водоподъемная и воздушная колонны труб для спуска и подъема соединяются с лебедкой через систему блоков. Перед началом работ между колоннами рабочих и вспомогательных труб засыпают гравий на высоту 2—2,5 м, положение которого контролируется на забое. После подготовительных операций включают компрессор и грунт вымывают с забоя. По мере вымы-ва гравий из межтрубного пространства перемещается на забой; одновременно засыпают гравий в межтрубный зазор с поверхности земли. Для более быстрой подачи гравия к забою целесообразно поворачивать вспомогательную колонну, используя для этого механические средства, например редукторную лебедку.
Дальнейшее погружение колонны производится после того, как вместе с водой начинает выбрасываться гравий, засыпаемый с поверхности. Это. свидетельствует о том, что гравий заполнил межтрубное пространство до уровня диффузора трубы. Вымываемая порода отводится в сторону по шлангу, установленному на головке эрлифта; ее гранулометрический состав контролируется с помощью сит. По мере углубления забоя скважины наращивают обсадные, водоподъемные и воздушные трубы.
На рис. 79 показана схема описанного выше способа бурения, на которой виден контур гравийной обсыпки, образовавшийся при проходке скважины. Бурить скважины этим способом можно при заранее известном разрезе пород.
Однослойная гравийная обсыпка уширенного контура при установке фильтров с конусом. Этот способ установки фильтров применяется при сооружении водопонизительных скважин в Подмосковном угольном бассейне и при бурении водозаборных скважин в подразделениях треста Промбурвод. Сущность метода заключается в следующем. До водоносного горизонта скважина закрепляется обсадными трубами (кондуктором) по возможности большого диаметра. После этого в скважину на надфильтровой
202
РИС. 79. Схема бурения скважины с помощью эрлифта:
а — геологический разрез скважины; б — конструктивная схема скважины до установки фильтра; в — то же, после установки фильтра; / — шахта; 2— уровень подземных вод; 3 — кондуктор; 4 — рабочая колонна; 5 — гравийная обсыпка первого слоя; 6 — гравийная об* сыпка второго слоя
колонне опускают фильтр, на ннжнем конце которого установлен башмак-конус. Перед началом бурения пространство между фильтром и кондуктором засыпают гравием на высоту 2—3 м. Породу с забоя удаляют желонкой через конус. При движении фильтровой колонны вниз одновременно на забой поступает гравий (рис. 80). Поэтому необходимо следить за положением гравия в кондукторе и поддерживать его уровень на 2—3 м выше нижнего края кондуктора, чтобы не допустить разрыва обсыпки.
По достижении проектной отметки в колонну подливают воду, где создается противодавление, забой очищается от породы до низа башмака-конуса, куда затем засыпается гравийная подушка. После интенсивной прокачки и досыпки гравия в межтрубное
203
пространство скважину сдают в эксплуатацию. Сооружение скважин этим способом происходит успешно при малых и средних глубинах и в водоносных горизонтах без глинистых слоев и пропластков, которые могут затруднить формирование гравия вокруг фильтров. Поскольку при бурении скважин с использованием
РИС. 81. Образование гравийной обсыпки с помощью конусов:
а — исходное состояние перед началом бурения через фильтр; б — промежуточное положение фильтра; в — скважина в законченном виде
РИС. 80. Схема устройства гравийной обсыпки с применением башмака-конуса:
/ — обсадная труба; 2 *— фильтр на колонне труб; 3 — конический башмак
башмака-конуса создается контур гравийной обсыпки, результаты бурения, как правило, положительные.
Описанные выше способы бурения отличаются только средствами удаления породы с забоя: эрлифтом или желонкой.
Для отбора воды из мелко- и тонкозернистых песков в американской практике применяют фильтры с гравийной обсыпкой, причем как в СССР, так и в США проявляется одна и та же тенденция— стремление к увеличению толщины обсыпки на внешней поверхности устанавливаемых фильтров.
В скважинах глубиной около 30 м фильтры рекомендуется устанавливать под защитой обсадной колонны, доведенной до водоупора. В данном случае гравийную обсыпку подбирают в полном
204
соответствии с породами водоносного горизонта, обеспечивая равномерную обсыпку гравия около фильтра и надфильтровой трубы. Учитывая возможность некоторой усадки гравия в процессе прокачки, рекомендуется иметь столб гравия над верхним краем рабочей части фильтра высотой примерно 1,8 м.
Для устройства фильтров в мелкозернистых песках при значительной глубине скважин применяется способ посадки фильтра с помощью конуса. При бурении эксплуатационных скважин этим способом необходимо иметь детальный геологический разрез на участке постановки фильтра, что определяется путем заложения разведочной скважины.
Фильтр опускают в скважину на колонне, в нижней части которой навинчен конус-расширитель (рис. 81). При опускании фильтра конус доходит до породы и опирается на нее. В этот момент труба с фильтром должна быть подвешена на тросе. Затем между обсадной и опускаемой колоннами засыпают гравий на высоту 1,2—1,8 м над конусом. По окончании засыпки гравия колонну освобождают и через спускаемую колонну извлекают породы.
По мере погружения фильтра в водоносные породы необходимо следить за тем, чтобы столб гравия над нижним концом обсадной трубы сохранялся на высоте 1,5—1,8 м. По достижении проектной отметки следует закрепить фильтровую колонну и продолжить извлечение породы с забоя до тех пор, пока гравий не проникнет в конус, после чего конус надо зацементировать, а над верхним краем рабочей части фильтра гравийную.обсыпку поднять на высоту 2,4—3 м. По этому способу рекомендуется устанавливать фильтры тяжелого типа. Необходимо отметить, что толщина обсыпки зависит от угла наклона, образованного конусом с поверхностью трубы. Если надо увеличить толщину обсыпки, берется конус с большим основанием. Размер конуса при этом не должен быть больше диаметра рабочей колонны, доведенной до водоносного горизонта.
Фильтр с однослойной гравийной обсыпкой уширенного контура, устанавливаемый при помощи вспомогательных скважин. Этот способ давно описан в американской литературе и не получил широкого распространения. Сущность его заключается в следующем: для увеличения контура гравийной обсыпки вначале бурят центральную скважину и оборудуют ее фильтром. Вокруг этой скважины на расстоянии 1,0—1,5 м бурят дополнительно четыре-пять скважин, в которые по достижении водоупора засыпают гравий. После засыпки гравия извлекают обсадные колонны.
По данным треста Промбурвод, в скважинах с уширенным контуром гравийной обсыпки по сравнению с однослойной обсыпкой малого контура удельный дебит увеличился в 2—3 раза. Анализируя опыт сооружения кустовых скважин, нельзя утверждать, что между каркасом фильтра и гравийным контуром питательных скважин, отстоящих от центральной скважины на 1,0—1,5 м, не
205
осталрсь перемычки из мелкозернистых водоносных пород, а это, несомненно, может снижать производительность скважин.
Для проверки этих условий на курских водозаборах в 1965 г. были пробурены скважины большого диаметра (около 1 м) с устройством однослойной обсыпки уширенного контура. Сооружение таких скважин значительно проще и дешевле, а дебит их приближается к дебиту кустовых скважин.
РИС. 82. Схемы устройства гравийных обсыпок водопонизительных скважин в Голодной степи:
а — при помощи вспомогательных скважин, доведенных до кровли горизонта; б — при помощи вспомогательных скважин, доведенных до подошвы горизонта; в — прн бурении одной скважины большого диаметра; 1 — центральная скважина с фильтром d=426 мм; 2— вспомогательные скважины для гравийной обсыпки б?=200 мм; 3 — скважина диаметром 800— 1200 мм с фильтром d=426 мм; 4 — пьезометры
Рассмотрим примеры бурения и сооружения гравийных фильтров при помощи вспомогательных скважин в Узбекистане. Гравийные фильтры уширенного контура устраивали различными способами в Голодной степи для мелиоративных целей. По данным САНИИРИ, здесь были испытаны четыре способа сооружения гравийных фильтров: при помощи бурения вспомогательных скважин;' при ударно-канатном бурении; при роторном с прямой промывкой забоя глинистым раствором; при роторном с обратной промывкой забоя чистой водой.
На рис. 82 приведены схемы устройства гравийных обсыпок при помощи вспомогательных скважин, пробуренных роторным способом с обратной промывкой. Число пробуренных скважин превысило тысячу. X. Якубов, А. Абиров (САНИИРИ) обработали все экономические показатели по скважинам. Результаты об
206
работки сведены в табл. 55. Из данных табл. 55 следует, что сооружение гравийных фильтров при помощи вспомогательных скважин не только не имеет каких-либо преимуществ перед скважинами больших диаметров, но и приводит к большим материальным затратам без существенного увеличения дебита скважин.
ТАБЛИЦА 55
Техническая характеристика и экономические показатели скважин, пробуренных различными способами
Показатели Методы бурения и устройства обсыпных гравийных фильтров
Роторный при помощи вспомогательных скважин Скважины большого диаметра
Ударно-канатный Роторный с прямой промывкой забоя глинистым раствором Роторный с обратной промывкой забоя водой
Общее число скважин 8 32 750 350
Продолжительность бурения, сут Затраты гравия, м3 10—15 8—12 4—6 2—3
90-100 56-60 55—60 60—65
Продолжительность откачек, сут Удельный дебит, л/с: 20—30 5—10 5—10 3—5
в тонкозернистых песках 3,0—4,5 — 3,0—4,5 3,5—5,0
в мелкозернистых песках 5,0-6,0 4,5—6,5 4,5—6,5 4,5—6,5
в гравелистых песках — 8—15 8—15 10—22
Дренажные скважины пробурены в Голодной степи, где водоносные горизонты представлены разнозернистыми песками. Средняя глубина скважин составляет 65—70 м.
Влияние подработки забоя на установку фильтров
при ударном бурении
В буровой практике известны случаи, когда данные разведочного и эксплуатационного бурения не совпадают. Отличаются описание проходимых пород, а также состав и мощность водоносных горизонтов, представленных песками. При бурении обычно стремятся достичь проектной глубины скважины и мало интересуются скоростью проходки скважины на участке предполагаемой установки фильтра и объемом пород, который извлекается с забоя. Между тем эти два фактора, отображающие правильное строение водоносных горизонтов и правильную установку фильтров, значительно влияют на сооружение скважин.
В технологии бурения скважин на воду принято считать, что при ударном способе по сравнению с роторным при прямой промывке забоя можно более точно отбирать образцы пород, а так-
207
РИС. 83. Схемы положения желонки на забое скважины при ударном бурении: О; в, г — положение желонки при отборе пород с забоя; б, д — вакуумирование забоя при подъеме желонки; е — снижение напора воды прн извлечении желонки
же не нарушать характера напластования пород в разрезе, их мощности, механического состава и др. Опыт бурения скважин и специальные исследования, поставленные Гидропроектом для выяснения влияния технологии бурения на структуру, состав и фильтрационные свойства пород водоносного горизонта, позволили установить, что при ударном способе часто изменяется характеристика пород в разрезе. Так, при строительстве земляной части плотины Куйбышевской ГЭС было пробурено несколько скважин при помощи желонки и рядом с этими скважинами, на расстоянии 3—4 м, на ту же глубину (до 20 м) тем же способом бурили скважины, но при создании обратного напора водой, заливаемой в обсадные трубы.
В скважине, которую бурили с наливом воды, было установлено около 19 прослоек пород различной мощности и крупности, в то время как в стоящих рядом скважинах отмечалось не более шести-семи прослоек. Было отмечено, что маломощные песчаные прослойки (до 0,5 м) не фиксировались в разрезе, а более мощные (до 1,5—3 м) увеличивались до 2—5 м.
Рассмотрим этот процесс по схеме, показанной на рис. 83. Чтобы углубить скважину в водонасыщенных песках и закрепить ее трубами, необходимо очистить ствол до башмака труб и несколько выйти за него. В момент работы желонки в трубах происходит вакуумирование, в результате которого наблюдается подплыв породы к забою скважины. По мере наполнения желонки породой при ее извлечении создается вакуум, и при выходе желонки из-под статического уровня уровень в скважине понижается, что создает разность напоров внутри скважины и за ее стенкой. Оба эти фактора влияют на образование песчаных пробок, высота которых может достигать 8—10 м и более. В этих условиях, чтобы углубить скважину, необходимо очистить забой и извлечь из труб весь объем пород до забоя. Такая технология бурения ведет к излишней подработке забоя и изменяет характер пород водоносного горизонта.
Для примера приведем бурение скв. 279 на защитном дренаже в Ульяновске. Объем выбуренного пространства в скважине по расчету должен составить 5,2 м3, а фактический объем породы, извлеченной из скважины, — 45 м3, что в 8,7 раза превышает объем выработки по сравнению с расчетным. Это объясняется тем, что на глубине около 40 м вокруг ствола образовались воронки обрушения, нередко достигавшие в диаметре 4—6 м и глубины 3—5 м. Большинство скважин, у которых при чрезмерной подработке забоя образовались воронки обрушения после установки фильтров, работало неудовлетворительно: наблюдалось снижение удельных дебитов, а нередко и длительное пескование.
Для получения истинного разреза выработки необходимо бурить скважины с таким расчетом, чтобы объем выбуренной породы приближался к геометрическому объему выработки. Только в этом случае может быть уверенность в правильности геологического разреза и механического состава пройденных пород. Одна
14—643
209
ко хорошо известно, что объем выбуренной породы, как правило, во много раз превышает геометрический объем выработки. Возникает вопрос: в каких случаях и в каких пределах можно допускать подработку забоя скважин?
Рассмотрим несколько принципиальных схем строения водоносных горизонтов и проанализируем процессы, происходящие при бурении скважин в этих условиях.
Схема 1. Скважина заложена в породах, состав которых по вертикали существенно не изменяется. В этих случаях величина
РИС. 84. Схемы установки фильтра при залегании в кровле мелкозернистых (а) и крупнозернистых (б) песков:
1 — нормальная посадка фильтра; 2 — излишняя подработка забоя
РИС. 85. Схемы установки фильтра и положение пород при слоистом строении:
с —нормальная посадка фильтра; б — излишняя подработка забоя (смещение)
подработки забоя при бурении, установке или извлечении фильтра особого значения не имеет.
Схема 2. Скважина пробурена на воду в породах, верхняя часть которых представлена мелкозернистыми и глинистыми песками, а нижняя-—крупнозернистыми (рис. 84,а). При подработке забоя в объеме, значительно превышающем геометрический объем ствола скважины, особенно на участке крупнозернистых песков, происходит оплывание мелкозернистых песков, что ведет к снижению фильтрационных свойств пород. Следовательно, в данных и подобных условиях целесообразны минимальное извлечение породы с забоя и большая скорость посадки труб на участке установки фильтра.
Схема 3. В верхней части разреза скважина вскрывает крупнозернистые пески, а в нижней — мелкозернистые (рис. 84,6). В этом случае путем подработки и извлечения мелкозернистых
210
песков надо сознательно идти на обрушение песков верхней зоны, так'как замещение мелкозернистых песков крупнозернистыми способствует улучшению фильтрационных свойств пород на участке установки фильтра.
Схема 4. Разрез скважины на участке установки фильтра представлен чередованием крупно- и мелкозернистых песков (рис. 85).
cm-ctl
РИС. 86. Схематичное строение зоны обрушения сквозных фильтров:
л —в разрезе; б — в плане (на глубине 20 м); / — гравийно-галечниковый глинистый слой; II — карбонатно-песчано-глииистый слой; Ill — песчаиый слой; IV пески сеиоман-альбского водоносного горизонта за пределами зоны обрушения; 1 — суглинки; 2 — мел; 3 — песок;. 4 — глины; 5 — руда; 6 — кристаллический песок
В этом случае как при проходке скважины, так и при установке фильтра требуется учитывать порядок напластования пород водоносного горизонта, а также его мощность. Изменение характера напластования при ударном бурении зависит от объема извлекаемой породы и может оказывать положительное или отрицательное влияние на установку фильтров.
В ходе сравнительного изучения прифильтровых зон было установлено, что строение и состав их в различных скважинах и в одних и тех же скважинах на разных уровнях вскрытия значи
14*
211
тельно отличаются. Однако в строении прифильтровых зон имеются некоторые общие черты, характерные для большинства исследованных скважин. Строение прифильтровых зон скважин, пробуренных ударно-канатным и вращательным способами, показано на рис. 86. В большинстве случаев зоны обрушения имеют в плане овальную форму с размерами от 25—30 см до 1,7—1,8 м в поперечнике. Сложены они различными по литологическому составу породами,, образующими вокруг фильтра концентрические слои.
К фильтру скважин обычно примыкает гравийный слой мощностью 5—20 см, который состоит из обсыпки, пропитанной пластичным глинистым веществом. Как было выяснено, это вещество представляет собой дисперсную фазу глинистого раствора, использовавшегося при добуривании скважины в рудно-кристаллической толще, вследствие чего имеется некоторое количество рудного шлама. Глинистое вещество, прочно цементирующее гравий и гальку, содержится обычно в значительных количествах до 60— 70% по объему, в связи с чем водопроницаемость пород этой зоны уменьшается до ничтожной величины.
Лабораторное определение коэффициента фильтрации показало, что он колеблется от 0,002 до 0,15 м/сут. Глинистый цемент прочно удерживает гравийную обсыпку, которая остается на фильтровых каркасах после их вскрытия. К этому слою примыкает второй, карбонатно-песчано-глинистый мощностью 30—70 см, также сложенный разнородным материалом: обломками мела и мергеля, темно-серыми сеноманскими песками, оползшими из верхней части разреза, и остатками глинистого раствора, проникшего сюда сквозь гравийную обсыпку при добуривании скважины. Содержание глинистого вещества в этом слое в целом невелико. Коэффициенты фильтрации карбонатно-песчаного материала незначительны и составляют не более 0,2—1 м/сут.
Третий слой, в отличие от первых двух, более однороден по составу и представлен темно-серыми сеноманскими песками, реже с примесью альбских песков. Толщина этого слоя колеблется обычно от 20—30 до 80 см, а коэффициент фильтрации изменяется от 2 до 10 м/сут. Пески третьего слоя граничат с песками водоносного горизонта, водопроницаемость которых составляет 9— 15 м/сут. Часто вдоль контакта перемещенных и коренных пород отмечается незначительное ожелезнение.
Обследование вскрытой части фильтров показало, что кольма-тирующий глинисто-карбонатный материал перекрывает до 80— 90% рабочей поверхности фильтра; лишь кое-где на отдельных участках фильтра, обычно в его нижней части, выклиниваются первый и второй слои, и в них образуются своеобразные окна, через которые фактически и поступает в фильтр вода.
Формирование в прифильтровой зоне скважин глинистого и карбонатного слоев создает неблагоприятные условия для прохождения воды в фильтр, в результате чего фактические водопри-токи сокращаются во много раз по сравнению с возможными.
212
Гравийные фильтры с многослойной обсыпкой
В водоносных породах, представленных мелкозернистыми песками со слабой водоотдачей, гравийные фильтры устраивают с двухслойными главийными обсыпками с помощью вспомогательных колонн. В начальную колонну большого диаметра
опускают вспомогательную колонну (рис. 87). Зазор между колоннами должен составлять не менее 50 мм на сторону. Для равномерного образования контура гравийной обсыпки вспомогательные колонны центрируют в колоннах предыдущего диаметра с помощью направляющих фонарей.
При сооружении скважин с многослойной обсыпкой начальный диаметр ее следует определять исходя из диаметра каркаса фильтра и толщины слоев обсыпки. Например, для двухслойной обсыпки при диаметре каркаса фильтра 150—175 мм и толщине обсыпки каждого слоя 50 мм потребуется начальный диаметр рабочей колонны 350— 400 мм. Толщина слоев гравийных обсыпок оценивается с учетом условий их работы: первый контур обсыпки, контактирующий с породой, является основным (фильтрационным), второй — вспомогательным (каркасным). При подборе
РИС. 87. Схема устройства фильтра с двухслойной гравийной обсыпкой:
а — состояние скважины перед началом работ по обсыпке фильтра гравием; б — конструкция скважины, ' из которой извлечены все трубы, за исключением труб малого диаметра; в — конструкция скважины, предусматривающая возможность повторной установки фильтра; 1 — кондуктор; 2 — рабочая колонна; 3 — вспомогательная колонна;
4 — фильтр; 5 — направляющие фонари: 6 — отстойник; 7 — надфильтровая труба; 8 — след вспомогательных колонн; 9 — глиняный тампон
вспомогательных колонн
надо стремиться к увеличению толщины слоя обсыпки внешнего контура. Так, при начальном диаметре скважины 450 мм и двухслойной обсыпке предпочтительнее опускать вспомогательную колонну диаметром 300 мм, а не 350 мм и устанавливать каркас фильтра диаметром 150—200 мм.
Скважины с многослойной обсыпкой сооружают следующим образом: водоносный горизонт перекрывают колонной труб большого диаметра до водоупора или до отметки предполагаемой установки фильтра. Когда водоносный горизонт не пройден, во из
213
бежание заиления забой тампонируют глиной на высоту 1—1,5 м, после чего на глиняную пробку насыпают гравийную подушку высотой 0,5 м. В напорных водоносных горизонтах тампонаж осуществляется при обратном напоре, создаваемом путем закачки воды в ствол скважины.
При обнажении фильтра колонны поднимают последовательно от периферии к центру скважины — от большего диаметра к меньшему. Когда устанавливают короткие фильтры (до 10 м), обсадные трубы поднимают поочередно, начиная с большого диаметра, на всю высоту рабочей части фильтра. Если длина фильтра 15— 20 м, колонны поднимают последовательно по частям: вначале на 7—10 м поднимают основную колонну, затем вспомогательную и далее операцию повторяют. Состояние гравия на забое контролируется щупом во избежание заклинивания поднимаемых колонн.
При трехслойной гравийной обсыпке фильтры сооружают так же, как и с двухслойной обсыпкой, но такие фильтры применяются редко. Указанные способы сооружения гравийных фильтров с многослойной обсыпкой пока трудоемки, громоздки и дороги. Однако при механизации всех процессов бурения (включая посадку труб) и правильной организации труда выполнение этих работ можно значительно ускорить и удешевить.
§ 35. Установка фильтров в скважинах, пробуренных роторным способом
В настоящее время при бурении скважин на воду роторным способом применяются две схемы:
а) бурение с прямой промывкой, при которой промывочная жидкость под давлением подается на забой скважины по бурильной колонне, а разрушенная порода поднимается на поверхность восходящим потоком жидкости, циркулирующим между стенкой скважины и бурильной колонной; при этой схеме применяются высоконапорные насосы с подачей до 17 л/с и давлением 8— 10 МПа;
б) бурение с обратной промывкой, при которой промывочная жидкость подается на забой между стенкой скважины и бурильной колонной, а разбуренная порода поднимается с забоя по бурильной колонне; при этом способе применяются вакуумные насосы или эрлифтные установки.
Для оборудования скважин в основном используют фильтры тех же конструкций, что и для скважин, пробуренных ударным способом.
Установка и освоение фильтров в скважинах, пробуренных роторным способом с прямой промывкой забоя глинистым раствором
При бурении скважин роторным способом глинистый раствор проникает в водоносные породы, а при гравийных обсыпках в стволах, заполненных раствором, происходит кольматаж глинистыми
214
'частицами, поэтому восстановление проницаемости призабойных или прифильтровых зон скважин — сложная техническая задача. Установка фильтров в водозаборных скважинах, пробуренных роторным способом с промывкой глинистым раствором, относится к числу наименее разработанных буровых операций.
Все рекомендуемые способы разглинизации скважин на воду было бы правильным разделить на три основные группы:
понижение гидростатического напора и понижение пластового давления в призабойной зоне в контуре выработки — желонирование (тартание) и прокачка эрлифтами;
механическое и гидравлическое воздействие на призабойную зону —поршневание; обрушение забоя, промывка пакерами; законтурная промывка;
химическое воздействие на призабойную зону.
Не следует думать, что тот или иной способ разглинизации обязательно должен приводить к положительным результатам. Часто их следует применять в комбинации.
Скважину, пробуренную роторным способом с промывкой глинистым раствором, осваивают после оборудования ее эксплуатационной колонной и фильтрации. На первом этапе освоения скважину промывают и заменяют глинистый раствор чистой водой. Эта операция позволяет снизить давление на водоносный горизонт. Все дальнейшие операции ведутся с обязательным наблюдением за положением и скоростью восстановления уровня воды в скважине, на основании которого устанавливается наличие гидравлической связи между скважиной, водоносным горизонтом и •степенью разглинизации. На практике освоение и разглинизации скважины обычно начинаются с простейших методов.
Тартание. Этот прием заключается в том, что в скважину опускают удлиненную желонку, диаметр которой на 50 мм меньше диаметра рабочей колонны и фильтра. Производя желонирование и удаляя песок из отстойника, а также отбирая воду из ствола скважины, можно создавать большие градиенты давления у наружной стенки фильтра, в результате чего будет происходить раз-глинизация пород водоносного горизонта. Тартание рекомендуется осуществлять в течение двух-трех смен.
Свабирование. В скважину на канате опускают тяжелую болванку с резиновыми манжетами либо поршень на бурильных трубах. Снаряд располагается выше фильтра, а ход поршня снаряда в зависимости от высоты вышки или мачты станка может составлять 8—10 м и более. Глинистая корка разрушается под воздействием создаваемых давлений и разрежений, которые создаются при движении поршня вниз и вверх.
При оборудовании скважины сетчатым фильтром возможно его повреждение, так как под влиянием вакуума сетка продавливается в фильтр через перфорированные отверстия. При установке щелевых, штампованных и трубчатых фильтров поршень может входить и в рабочую часть фильтра. 1 На эту операцию обычно
215
РИС. 88. Гидравлический ерш для очистки фильтров
затрачиваются одна-две смены, после чего скважина прокачивается с помощью эрлифта до полной очистки фильтра от осадков.
Прокачка скважины с помощью поршней должна проводиться с применением ударно-канатного станка или- лебедки с амплитудой 20—25 качаний в 1 мин в течение 15 мин на каждом участке прокачки фильтра. Прокачка ведется сверху вниз. Через определенные промежутки времени поршень извлекают и замеряют количество песка, внесенного в фильтр. Если песок занимает 1,5—2 м по высоте фильтра, то песок извлекают, и это регистрируется на диаграмме освоения скважины.
По окончании первого этапа освоения производится второй этап, при котором поршень движется со скоростью 30—35 качаний в 1 мин. Иногда прокачка фильтра осуществляется в три этапа. Обычно количество песка, проникающего в фильтр, уменьшается от этапа к этапу. В процессе освоения скважины поршневанием для разрушения глинистого кольматанта целесообразно использовать полифосфаты (гексаметафосфат натрия, три-полимефосфат натрия), которые вливают в скважину из расчета 1,5 кг порошка на 200 л воды. Полифосфаты разрушают комплексы и способствуют лучшему диспергированию глин. Окончательное освоение скважины должно производиться насосами.
Р азглинизация фильтра с помощью гидравлического ерша. Данный способ заключается в том, что в скважину на бурильных трубах опускают
ерш. Внутри него размещены сопла для подачи воды под давлением с помощью бурового насоса (рис. 88). Фильтр разглинизи-руется позонно. Для этого ерш имеет две уплотнительные резиновые манжеты, ограничивающие участок обработки. В процессе обработки ерш поднимается и опускается в пределах длины рабочей части фильтра, когда струи воды промывают его боковую поверхность. Перед спуском ерша для предупреждения заклинивания его необходимо проверять ствол скважины шаблоном.
При проектировании гидравлического ерша следует учитывать, что скорость воды на выходе из сопла должна быть не менее 45 м/с, а разность между диаметрами ерша и фильтра должна быть в пределах 25—40 мм.
216
В практике бурения в США боковая гидравлическая промывка фильтров проводится при помощи головок, спускаемых на трубах, которые позволяют одновременно подавать воду под большим давлением и прокачивать скважину с помощью эрлифта для удаления вымываемых частиц пород со стенок фильтра.
Освоение скважин указанными выше методами выполняется через фильтр. При роторном бурении происходит глинизация пород водоносного горизонта за контуром фильтра, и тогда приходится прибегать к методам воздействия на пласт во внешнем контуре.
Разглинизация фильтров через промывочные окна. Настоящий метод разработан в Краснодарской комплексной геологической экспедиции В. И. Блажковым. Разглинизация скважин по предложенному способу производится после выполнения следующих подготовительных работ. После вскрытия водоносного горизонта и каротажных работ для выбора интервала установки фильтра в скважину, заполненную глинистым раствором, на трубах опускают фильтр. В нижней его части, в отстойнике, устанавливают ниппель, в котором прорезаны окна для разглинизации. Прокачка скважины производится с помощью эрлифта, желонки или гидроэлеватора. На рабо-
РИС. 89. Схема установки фильтра для разгли-
чей колонне выше фильтра устанавливают брезентовый сальник. Перед спуском
фильтра в скважину сальник заполняют густым глинистым или цементным раствором. Такой сальник надежно изолирует водоносный горизонт от залегающих выше пород. Для этих же целей может быть проведено манжетное цементирование. Схема
низании через промывочные окна:
1 — надфильтровая труба;
2 — брезентовый сальник; 3 — обмотка сальника; 4 — сетчатый фильтр; 5 — промывочное окно; 6 — отстойник; 7 — пробка
установки фильтра для разглинизации этим способом показана на рис. 89.
Глубина спуска эрлифтной колонны для откачки рассчитывает
ся по плотности раствора и с учетом мощности компрессора. По мере прокачки эрлифтная колонна опускается и останавливается на уровне промывочных окон. При откачке с помощью эрлифта
в пульсирующем режиме создаются резкие перепады давления внутри скважины и за ее контуром, вследствие чего разрушаются породы за стенкой скважины и оплывающий песок вместе с остат
ками глинистого раствора откачивается через промывочные окна.
217
В процессе откачек глинистый раствор заменяется чистой водой,, поступающей через фильтр и промывочные окна. По окончании откачки эрлифтная колонна опускается в отстойник фильтра, ударяет по перемычке, сбивает контрольные шпильки и закрывает промывочные окна предохранительным ниппелем (рис. 90).
При каптаже одной скважиной нескольких водоносных горизонтов процесс разглинизации проводится последовательно сверху вниз. Для этого на внешнем контуре фильтровой колонны устанавливают брезентовые сальники по числу фильтров для вы-
218
полнения указанных выше операций (рис. 91). Для разобщения водоносных горизонтов в основании каждого звена фильтра устанавливают переходный ниппель, в нижней части которого имеется цементная пробка. После прокачки первого звена фильтра эрлифтная колонна разбивает перемычку, закрывает промывочные окна на первом фильтре и разрушает цементную пробку. Затем переходят к разглинизации следующего звена фильтра. Для разобщения водоносных горизонтов при прокачке на водоподъемных трубах эрлифта располагают герметический сальник или пакер.
Как показана практика, способ разглинизации фильтров через промывочные окна не всегда эффективен и потому не может считаться универсальным.
Для проверки эффективности способов разглинизации на участке близ станицы Голубицкой Краснодарского края ВНИИВОД-ГЕО были проведены опытные работы [9]. Здесь были пробурены скважины глубиной 55 м роторным способом с промывкой глинистым раствором и установлены фильтры с длиной рабочей части 5 м. Проведенной расходометрией после разглинизации скважины через промывочные окна было установлено, что основной приток воды в скважину происходит на участке, непосредственно примыкающем к промывочным окнам, т. е. в нижней части фильтра. Приток воды к верхней части фильтра остается незначительным, что подтверждается графиком (рис. 92). Аналогичные наблюдения были сделаны и на других объектах, где также подтвердилась малая эффективность разглинизации скважин этим способом.
Разглинизация фильтров с помощью гидравлического размыва пласта. Учитывая малую эффективность существующих методов разглинизации, буровые организации «Курсксельхозводстрой», тресты «Молдбурвод». «Востокбурвод» и др. разработали и внедрили методы посадки фильтров в скважинах, пробуренных до водоносных горизонтов с промывкой глинистым раствором. Сущность этих методов заключается в следующем: пробуренная роторным способом скважина закрепляется обсадной колонной, после чего цементируется затрубное пространство. В процессе промывки скважины глинистый раствор заменяется чистой водой. Фильтр можно устанавливать непосредственно в водоносный горизонт, а также в предварительно разбуренный ствол малого диаметра. Такая установка фильтров имеет различные методические приемы.
Согласно методу, разработанному трестом «Молдбурвод», в скважинах глубиной 50—300 м при низких статических уровнях, находящихся в 20—150 м от поверхности земли, фильтры устанавливают следующим образом. До проектной отметки бурят скважину малого диаметра роторным способом с прямой промывкой забоя. На основании комплекса геофизических исследований определяют наиболее перспективный интервал установки фильтра, после чего продолжают бурение до водоносного горизонта, увеличивая диаметр скважины, и устанавливают трубы диаметром 275 или 325 мм. После цементирования затрубного простран-
219
ДеБит, л/с
РИС. 92. Дифференциальная кривая расходометрии в скважине, разглинизированной через промывочные окна:
а—скважина в станице Троицкой; б — скважина в станице Голубицкой
РИС. 93. Схема бурения скважины с применением гидравлического размыва пласта и гравийной обсыпки при глубоком залегании уровня подземных вод:
а — до вскрытия водоносного горизонта; б — вскрытие водоносного горизонта размывом с устройством гравийного фильтра; в — скважина, законченная бурением; 1 — зацементированная эксплуатационная труба диаметром 268—325 мм; 2 — водоносный горизонт; 3—плотная скважина диаметром 146—197 мм;
4 — засыпка гравия; 5 — бурильные трубы для подачи воды; 6 —• выход промывочной жидкости; 7 — соединение бурильных труб1 с данной частью фильтра на левой резьбе; 8 — обратный клапан; 9 — гравийная обсыпка; 10 — сальник
ства глинистый раствор заменяют чистой водой, затем разбуривают водоносные породы с промывкой чистой водой.
При последующей операции в скважину на колонне диаметром. 168—203 мм опускают фильтр, в отстойнике которого вмонтировано устройство для гидравлического подмыва. Колонну спускают на фонарях-центраторах. Установка фильтра по предлагаемому-методу показана на рис. 93.
При посадке фильтра в водоносный горизонт по бурильным, трубам с левой резьбой буровым насосом нагнетается вода. Пройдя обратный клапан, вода попадает в пространство за фильтром,, размывает глинистую корку и частично породы водоносного горизонта, которые выносятся на поверхность по межтрубному пространству. По достижении проектной отметки трубы закрепляют на устье. После тщательной промывки засыпают гравий в восходящий поток промывочной воды. Излив воды из скважины должен быть минимальным, чтобы не выносились частицы гравия.
Для экономии труб предлагается вторая модификация данного-способа. Вначале на полную глубину бурят скважину малого диаметра, а затем до кровли водоносного горизонта увеличивают диаметр скважины. Бурёние ведется с прямой промывкой забоя глинистым раствором. После этого в скважине глинистый раствор» заменяется чистой водой и водоносный горизонт разбуривают с промывкой чистой водой. Спуск фильтра и гравийная обсыпка аналогичны первому варианту. Учитывая возможность просадки гравийной обсыпки вокруг фильтра, необходимо гравий засыпать на 5—10 м выше рабочей части фильтра. После этой операции над гравием устанавливают цементный мост, а затрубное пространство до поверхности земли, засыпают балластным материалом.
Второй вариант обеспечивает увеличение дебита скважин против первого до 38%, однако его можно применять в безнапорных скважинах с низкими статическими уровнями и при достаточной устойчивости пород, залегающих над водоносным горизонтом. Второй вариант не может быть рекомендован для широкого использования и должен быть обусловлен необходимыми требова-нями.
В Новосибирском тресте «Востокбурвод» фильтры в скважинах, пробуренных с промывкой глинистым раствором, устанавливают следующим образом. Бурят до кровли водоносного горизонта и вскрывают его роторным способом. Ствол скважины закрепляют обсадными трубами, цементируют и промывают водой. В случае посадки фильтра впотай его спускают в скважину на, бурильных трубах, которые в отстойнике фильтра закрепляют переходником с левой резьбой, а в верхней части — конической, заглушкой [16]. Для обеспечения равномерного кольцевого зазора фильтр снабжается фонарями-центраторами. До проектной: отметки фильтр спускают при помощи нагнетания воды буровыми насосами. По достижении фильтром проектной глубины скважины промывают до полного удаления глинистого раствора. Появление в промывочной воде песка и ее поглощение свидетельст-
221:
РИС. 94. Схема гидравлической посадки фильт-фа:
1 — обсадная труба; 2 — бурильные трубы; 3 —заглушки; 4 — направляющие фонари; 5 — фильтр; 6 — переходник с левой резьбой
РИС. 95. Схема установки фильтра при помощи эрлифта:
1 — фильтр; 2 — водоподъемная колонна; 3 —- зацементированная обсадная колонна; 4 — воздушная колонна;
5 — отвод для воды; 6 — шланг для подачи воды
РИС. 96. Схема установки фильтра при одновременном вскрытии водоносного пласта:
1 — расширитель; 2 — фильтр; 3 — сальник; 4 — отверстия для выхода воды; 5 — соединительное устройство: 6 — бурильные трубы для подачи воды; 7 — зацементированная обсадная колонна
вуют о достаточной разглинизации забоя. Гравий засыпают в восходящий поток воды при минимальной подаче насоса. После гравийной обсыпки бурильные трубы извлекают и промывочные окна закрывают стопорным кольцом (рис. 94).
СМУ «Курсксельхозводстрой» Минводхоза РСФСР в скважинах, пробуренных с промывкой глинистым раствором, применяет способ посадки фильтров с помощью эрлифта. После бурения до водоносного горизонта устанавливают обсадную колонну, цементируют ее и тщательно промывают водой. Образовавшуюся на забое цементную пробку разбуривают. Когда в обсадных трубах формируется песчаная пробка, в стволе скважины создается противодавление водой. При установке фильтра впотай в скважину
222
его опускают на трубах; зазор между обсадной колонной и фильтром должен быть не менее 75—100 мм. Спускаемая с фильтром колонна является одновременно и водоподъемной для эрлифта. Она проходит через фильтр и при выходе через башмак заканчивается срезом под углом 60°. Внутри водоподъемных труб проходит труба диаметром 32 мм.
При посадке фильтра от промывочного насоса в скважину подается вода и одновременно в работу включается эрлифт. Схема установки фильтра показана на рис. 95. По достижении проектной отметки вспомогательную колонну, имеющую переходник с левой резьбой, отвинчивают, а отстойник фильтра закрывают деревянной или цементной пробкой. В кольцевом пространстве между фильтром и обсадной колонной устанавливают сальник. Данный способ посадки фильтров хорошо себя зарекомендовал в тех случаях, когда в разрезе отсутствовали линзы и пропластки глин, а водоносный горизонт был представлен чистыми песками.
Если в разрезе предполагаются пропластки глин, в тресте «Востокбурвод» применяют комбинированный способ посадки фильтров с использованием механических расширителей (рис. 96). В пробуренную и закрепленную колонной скважину после ее цементирования и промывки водой опускают фильтр на бурильных трубах, которые проходят внутри фильтра, где заканчиваются расширителем лопастного типа. Фильтр с бурильной колонной соединен с помощью такого устройства, которое позволяет разбуривать водоносный горизонт без вращения фильтровой колонны.
Для постоянной подачи воды от насоса в скважину на верхнем конце бурильной колонны устанавливают приспособления для непрерывной подачи воды на забой скважины. Вращатель труб позволяет наращивать очередную бурильную трубу без подъема всей колонны. Лопасти долота раскрываются под действием осевой нагрузки при установке колонны на забой. После окончания бурения и спуска фильтра на проектную глубину в бурильные трубы сбрасывают металлический шарик, который перекрывает отверстия в поршне отсоединительного устройства. Под давлением воды поршень срезает шпильки и опускается вниз. В процессе подъема породоразрушающего инструмента на поверхность шарики опорного подшипника выталкиваются в кольцевую выточку поршня и вместе с отсоединителем поднимаются на поверхность. При этом лопасти долота упираются в башмак фильтра, сжимаются и проходят через фильтр. Фильтр изолируется от водоносного пласта корзинчатым сальником.
Установка фильтров в глубоких скважинах. Трестом «Союз-шахтоосушение» разработан и применяется способ установки фильтров с контуром гравийной обсыпки на глубину 250—700 м. При этом скважины до песков водоносного горизонта бурят шарошечными долотами с прямой промывкой забоя глинистым раствором. После установки последней эксплуатационной колонны диаметром 400 мм и ее цементирования глинистый раствор в стволе скважины и отстойниках заменяют чистой водой. Для установле-
223'
ния мощности и литологического состава водоносные породы •вскрывают пилотной скважиной при бурении 349-мм долотом с •обратной промывкой забоя. Для предупреждения засыпания забоя породой на уровне устья скважины поддерживается напор, который создает противодавление. Разбуренную породу из скважины удаляют при помощи эрлифта при центральном расположении
'РИС. 97. Схема работы механического расширителя:
1 — рычаги; 2 — груз; 3 — корпус; 4 — отвод пульпы;
5 — подача воздуха; 6 — подача воды
РИС. 98. Схема устройства гравийной обсыпки в расширенном забое глубоких скважин:
/ — обратный клапан; 2 — шаровой клапан для открытая промывочных отверстий; 3 — промывочные отверстия на трубах; 4 — специальная муфта; 5 — деревянная пробка; 6 — бурильные трубы с левым переходником; 1. — вибросито; 8 — специальная воронка
воздушных труб. По достижении проектной . отметки долото извлекают из скважины и заменяют расширителем.
Механический расширитель шарнирного типа показан на рис. '97. Он состоит из корпуса 3 диаметром 270 мм и длиной 3,5 м. В корпус помещен груз 2, внутри которого имеется канал для прохода пульпы. К грузу шарнирными тягами присоединены механические рычаги 1. Они также укреплены на корпусе при помощи шарниров, кромки которых армированы твердым сплавом.
При выходе расширителя из-под башмака обсадной колонны j под действием вращения бурильной колонны и груза рычаги рас
224
крываются. Расширить ствол скважины можно до 900—1000 мм. Частота вращения бурильной колонны при этом составляет 8— 25 об/мин. При разбуривании колонна находится в подвешенном состоянии без опоры на забой. Средняя механическая скорость проходки ствола скважины расширителями 1—1,2 м/ч.
После расширения забоя из скважины, в которой непрерывно поддерживается обратный напор, извлекают породоразрушающий инструмент и заменяют его фильтром, спускаемым на колонне диаметром 254 мм с левым переходником. В основании фильтра вмонтировано приспособление с клацанами, позволяющее при помощи размыва разрушать "образовавшуюся на забое песчаную пробку и устанавливать фильтр на проектной отметке. Гравийную смесь закачивают при помощи водяного инжектора. Схема устройства гравийной обсыпки показана’на рис. 98.
Для ускорения -усадки гравия вокруг фильтра и выноса мелких песчаных частиц гравий засыпают при непрерывной работе эрлифта. В этом процессе гравий оседает на забое, а промывочная жидкость, пройдя фильтр, удаляется на поверхность. В случае необходимости вода может быть использована для повторной закачки. При сооружении скважин в Харькове гравийная смесь состояла из зерен диаметром от 1 до 7 мм, а расход гравия на одну скважину составлял 30 м3. Дебит скважин, пробуренных указанным выше методом, колебался в пределах 180—276 м3/ч при удельных дебитах 9,4—31,4 м3/ч-м, что превышает дебит скважин, пробуренных старыми методами, в 2—3 раза и более.
Предупреждение глинистого кольматажа фильтров защитными пастами. При бурении глубоких эксплуатационных или разведочных скважин, как правило, применяется роторный способ с прямой промывкой забоя глинистым раствором. Кроме того, не исключается возможность искривления глубоких скважин малого диаметра (127—254 мм). В этих условиях кольматации фильтров может происходить не только в результате отложения глинистого раствора в теле фильтров, но и под влиянием проникновения глин’ в водоприемные поверхности при спуске фильтров на забой скважины.
В работах Северо-Кавказского территориального геологического управления (СКТГУ) эти явления подтверждены экспериментально. При спуске сетчатых фильтров глина набивалась в зазор между сеткой и каркасом трубы, а при спуске проволочных — между обмоткой и каркасом. Чтобы убедиться в глинизации фильтров вне зависимости от промывочной жидкости, использовали воду. После подъема фильтров была установлена глинистая. кольматации их, резко снижающая дебит скважин. Для устранения этого явления группой сотрудников СКТГУ был предложен метод защиты фильтров при помощи специальных паст, которыми покрывают фильтры перед спуском в скважину [30]. Защитные пасты состоят из смеси вяжущих и наполнителей, не вступающих между собой в химическую реакцию. Пасты способны распадаться в воде в заранее заданное время. Для их приготовления в ка
15—643
225
честве вяжущих используют водные растворы формальдегидной смолы МФ-19-62, декстриновую крошку и силикат натрия. Комбинируя состав и содержание указанных выше компонентов, можно создавать пасты с различным временем распада:
Глубина скважин, <75 <150 <500
Время распада, ч: в глинистом растворе ...... 3 4-5 6—8
в воде 1 1,5—2 3—4
Время хранения пасты при влажности воздуха 50—60%, мес 1 1 1
Содержание, %: воды 40—41 24 33
силиката натрия ....... 1—2 1—2 2—3
декстриновой крошки ...... 13 13—14 20
талька ...» 45 — 40—45
мела . « — 62 —
Фильтры, защищенные такими пастами, при влажности воздуха 80—85% могут храниться в течение 1—1,5 мес. На внутреннюю поверхность сетчатых фильтров пасту наносят по принципу центрифугирования, а на внешнюю поверхность — путем втирания. На проволочные фильтры пасты втирают с наружной поверхности. Расход пасты на 1 м фильтра приведен ниже:
Диаметр фильтра, мм................. . 89 108 127 146 168 243
Расход пасты, кг........................ 2,3 2,8 3,3 3,7 4,4 6,1
ТАБЛИЦА 56
Данные об эффективности применения защитных паст
Номер скважины Фильтр* Глубина установки фильтра, м Продолжительность разглинизации, ст.-смена Результаты расхо-дометрии
диаметр, мм длина, мм Свабирование Прокачка Работающая часть фильтра, м Неработающая часть фильтра, м
78
23
76
23
633
5
127
89
29
19
II
6
Незащищенные фильтры
347
180
49
4
631
6
127
127
Фильтры, защищенные пастой
84 24
350
176
63
20,5
21
3,5
4
8
8
1
• Фильтр трубчатый, перфорированный, с проволочной обмоткой.
Для разглинизации фильтров с защитными пастами рекомендуется удалить глинистый раствор из затрубного пространства через промывочные окна, а затем провести свабирование или прокачку скважины с помощью эрлифта. Эффективность защиты фильтров от глинистого кольматажа пастами проверялась в Краснодарской геологической экспедиции на 29 скважинах и в подраз
226
делениях Минводхоза РСФСР. Для иллюстрации приведем данные (табл. 56) из работы Ю. С. Федорова [30].
Приведенный пример наглядно подтверждает сокращение сроков освоения скважины и значительное увеличение активно работающей части фильтров.
Установка фильтров при бурении скважин роторным способом с обратной промывкой забоя чистой водой
Скважины, разбуриваемые роторным способом с обратной промывкой забоя чистой водой, обычно большого диаметра — от 500 мм и более. Дак правило, такие скважины оборудуются фильтрами гравийного типа с однослойной обсыпкой с каркасами различного типа. Однако опыт эксплуатации скважин с отбором воды из песчаных отложений подтверждает, что наиболее длительная эксплуатация скважин с большим дебитом в водах неустойчивого химического состава обеспечивается при установке фильтровых каркасов большой скважности с контуром гравийной обсыпки толщиной 200—300 мм на сторону.
В скважинах, пробуренных с обратной промывкой, перед установкой фильтров необходимо соблюдать требование промывки ствола скважины чистой водой, так как при бурении не исключена проходка глинистых слоев, в результате чего промывочная жидкость может обогащаться глинистыми частицами и они могут осаждаться на стенках скважины и гравийных частицах, что ухудшает работу фильтров.
При данном способе бурения, как правило, диаметры фильтра и водоподъемной колонны одинаковые. Необходимо учитывать, что колонна труб опускается в незакрепленный ствол скважины и может отклоняться от оси вследствие врезки направляющих фонарей в породу. Исходя из этого, рекомендуется следующий порядок установки фонарей-центраторов на фильтровой колонне: верхний устанавливают на 0,3—0,5 м выше рабочей части фильтра; промежуточные фонари на рабочей части фильтра — через 8—10 м; нижний фонарь — на отстойнике фильтра. Для обеспечения равномерной обсыпки по межтрубному зазору рекомендуется устанавливать промежуточные фонари и на надфильтровых трубах через 15—20 м.
Фонари изготовляют из стальной полосы шириной 50—60 мм и толщиной 5—7 мм или прутковой стали диаметром 12, 14, 16 мм с последующей наваркой стальной полосы (рис. 99, а). Некоторые организации применяют конструкции фонарей, которые по окружности связаны полосовым железом в виде обруча (рис. 99,6). Как показала практика, при спуске фонарей указанной конструкции происходит подрезка породы незакрепленных стенок скважины, в результате чего уменьшается ее глубина. Следовательно, такие фонари не могут быть рекомендованы. Сборка фильтровой 15* 227
колонны и установка фонарей производятся по мере их спуска в скважину.
В практике бурения скважин на глубину до 450 м с обратной промывкой в Югославии для спуска асбоцементных труб и фильтров направляющие фонари изготовляли из полосовой стали.
При устройстве центрирующих фонарей методом электросварки нарушенные участки антикоррозионной защиты должны быть восстановлены путем покрытия их антикоррозионным материа-
лом. Целесообразно применение промежуточных соединительных патрубков, на которые заблаговременно привариваются направляющие фонари.
Перед спуском фильтра из пробуренного ствола скважины извлекают породоразрушающий инструмент, снимают ротор, если диаметр спускаемого фильтра больше диаметра проходного отверстия ротора, и уточняют положение забоя. Чтобы исключить заиление скважины породой, необходимо в' период подготовки фильтровой колонны и спуска ее не допускать снижения уровня воды в скважине. В случае снижения уровня надо пе-
РИС. 99. Схемы установки фонарей на фильтрах при бурении с обратной промывкой: а — правильная; б — неправильная; 1 — труба; 2 *» стальной пруток; 3 — полосовая сталь
риодически подкачивать
воду. Длина отстойников в фильтрах должна быть ограничена и принята конструктивно равной 0,5—2 м. Отстойник служит лишь местом размещения центрирующих фонарей при установке каркаса фильтра в незакрепленный ствол скважины и не предназ-
начается для отстоя пород в пескующих скважинах.
Бурение скважин большого диаметра связано с установкой фильтров, при этом, между колонной фильтра и стенкой скважины может образоваться зазор шириной от 200 до 400 мм. Эти условия будут приближаться к тем, когда частицы гравия при свободном падении на забой в нестесненном пространстве, подчиняясь закону гравитации, осаждаются в соответствии с их формой и плотностью, что может приводить к расслоению обсыпки и последующему пескованию скважины. В связи с этим необходимо учитывать не только способ засыпки гравия, но и размер порций гравия в каждой операции. Учитывая большой объем засыпаемого в скважину гравия, надо всемерно механизировать работы по об
228
сыпке фильтра гравием. Для этого могут быть использованы бадьи вместимостью 250—500 м3, которые поднимаются над устьем и автоматически сбрасывают гравий в скважину.
При сооружении скважин большого диаметра распространена обсыпка фильтров гравием при помощи бульдозера. Для этого гравий самосвалами ссыпается на подготовленный стеллаж, а затем ножом сталкивается в скважину. Нередко также гравий засыпают непосредственно с самосвалов в желоб, сужающийся к скважине, по которому гравийная масса «стекает» в межтрубное
пространство. При засыпке больших объемов гравийной массы следует иметь в виду, что односторонняя засыпка гравия может отжать фильтровую колонну в сторону и привести к пескованпю скважины при эксплуатации. По этой причине для обеспечения центрального положения фильтровой колонны в скважине целесообразно засыпать гравий с двух сторон.
Когда фильтр устанавливается для каптажа одного водоносного горизонта, обсыпку необходимо поднимать на 3—-5 м выше (на случай ее пополнения при просадке). Остальное пространство можно засыпать породой, используя при этом буровой шлам. Для скважин питьевого назначе-
РИС. 100. Схемы установки фильтра при каптаже одного (а) или нескольких (б) водоносных горизонтов:
1 — отстойник; 2 — фильтр; 3 — гравийная об-сыпка; 4 — балластный слой; 5 — глиняный замок
ния в устье скважины устраивается глиняный замок на глубину 1,5—2 м.
Когда по разрезу скважин вскрываются водоносные горизонты небольшой мощности в виде линз и пропластков, которые необходимо также дренировать, гравийную обсыпку целесообразно устраивать вдоль всего ствола скважины до поверхности земли. Сквозная обсыпка будет служить дреной и отводить воду при вертикальной фильтрации в зону фильтра (рис. 100). Если обсыпка не выводится на поверхность, положение гравия в затрубном пространстве скважины проверяется путем замера ее глубины.
По окончании работ по устройству гравийной обсыпки фильтра необходимо проверить глубину скважины, так как в результате частичного просыпания гравия внутрь фильтра, как правило, образуется пробка. В практике были случаи полного заполнения отстойника и рабочей части фильтра мелкими фракциями гравия, которые, однако, легко удалялись при прокачках с помощью эрлифта. После установки фильтров сразу следует прокачать сква
229
жину для удаления мелких песчаных и глинистых частиц из обсыпки. Откачку рекомендуется проводить с помощью эрлифтов или водоструйных насосов с постепенным увеличением дебита.
§ 36. Песчаные и гравийные обсыпки, их подготовка и устройство в скважинах
Применение гравийных обсыпок обусловливается конструкциями запроектированных фильтров, а подбирают их на основании расчетов. Гравий и песок, которые используют для устройства фильтров, должны отвечать следующим требованиям: не содержать известковых включений, примесей пыли и глины, иметь форму, приближающуюся к шару. Гравий, добываемый в карьерах, подлежит промывке, сушке и рассеиванию по фракциям.
Для отбора воды из песчаных отложений наиболее эффективен гравий, размер зерен которого находится в пределах от 2 до 12 мм. В случае отбора воды из тонко- и мелкозернистых песков применяется крупный речной песок с диаметром фракций от 0,5
С
Ик№ МЯ ‘ ШЗ СкВ.1ВЗ CkB.IBJ
РИС. 101. График изменения коэффициента расслоения гравия:
1 — расчетный коэффициент межслойности; 2 — фактический коэффициент межслойности
до 2 мм, где Z?so=l мм. В настоящее время при устройстве гравийных обсыпок в основном используется гравитационный способ, при котором гравий оседает на забой под влиянием силы тяжести. Если применяются гравийные обсыпки однородного состава с коэффициентом неоднородности Ли=2, гравий осаждается на забой без расслоения. Однако вследствие отсутствия специализированных карьеров и неорганизованной калибровки гравия по диаметрам большинство буровых организаций применяет разнозернистый гравий с коэффициентами неоднородности от 7 и более.
230
ТАЁЛЙЦА 5?
Сравнение характеристик Гравия ДО й пОслё засЫпкй
Св К СХ i ь св S- обсыпки Мелкий волго- св р Я- к к Св си к W Qi _ Ом Л fct W о s‘S п * * * S С. К о S и в Н О ного отсева с С 1) п 0 = 5 йй с. j S 3 й ч 5 5-g
q □ S 3 0) g £ се •& । ская средняя по колонне 39,4 03^ О О Т— оГ СО Г- О 1 СО со СО -Ф
к « к W 39,4 см о О СО < ьГ I со со со со
Коэффициент. расслоения 0,86—1,28 0,23—1,37 0,54-1,12 0,09—1,40 П ПО—1 9Я 0,27—1,64 0,37—2,47
•& •“1 2,69 •Ф О оо со Гм со ю со Гм —- — см —1 см 3,70
1 кф, см/с после засыпки кф2 0,514—2,94 С ОС ОС 0,017—1,34 0,685 0,115-1,755 0,888 0,010—2,94 1,424 0,016—2,71 1 1,322 0,083—8,70 1,577 0,045—7,20 1,042
ди заилили кф1 0,617 •ФО о Гм оз Гм 00 со СО ю Ю Гм Щ сГ о*' о" сГ o' 0,282
"s II после засыпки 1,45—5,62 2,19 1,65—3,37 2,6 1,76—7,9 I 2,6 1,57—17,3 2,3 1,68—6,6 | 2,4 2,27—13,83 3,9 2,31—9,33 •ф
1 до за- , сыпки : 2,06 Ю О -ф со ю •ф о Ю СО -Ф со со СО со со 6,00
С S а> W ч Е 2 i 2 к 2,50-3,7 Гм 03 03 Гм СМ СМ СМ со СО ьГ 1 1 1 1 1 Ю Ю Ю —' о •ф со см со см о — о о —Г t-'z-ri
1 до засыпки ; 2,9 о ю оо оз «ф см см см см -Ф 3,0
Номер S 5 S «• в q 143 со СО СО Ю *Ф СО Г- 00 со
Примечание. В знаменателе — средняя характеристика после засыпки.
231
Практикой установлено, что гравийные обсыпки с большим коэффициентом неоднородности могут приводить к расслоению и, как следствие, к пескованию. Расслоение разнозернистого гравия зависит от ряда факторов [29]: формы и плотности частиц; коэффициента неоднородности; высоты столба воды в скважине; величины межтрубного зазора; способа обсыпки и массы гравия, засыпаемого в единицу времени. Совокупность этих факторов приводит к переформированию гравийных обсыпок на забое вокруг фильтров, в результате чего нарушаются принятые коэффициенты межслойности, обеспечивающие условия надежной работы фильтров без пескования.
В. П. Ткаченко проводил лабораторные и полевые работы по изучению расслоения разнозернистого гравия с Ки = 2,06-4-3,45 и П5о = 2,04-2,9 мм, а также образцов гравийной смеси с Ки = 6,0-4--4-8,5 и 2Э5о = 3,04-4,4 мм. При эксперименте гравийная обсыпка; в скв. 4, 6, 163, 183 проводилась с помощью бульдозеров с интенсивностью подачи гравия от 5 до 38 кг/с, а в скв. 3, 143 и 173 гравийная обсыпка сооружалась при помощи автосамосвалов при непрерывной подаче гравия с интенсивностью 4,5—5 кг/с.
График изменения коэффициентов расслоения гравийных обсыпок приведен на рис. 101. Под коэффициентом расслоения понимается отношение среднего диаметра гравия вокруг фильтра после обсыпки к среднему диаметру гравия до обсыпки в исследуемом интервале, т. е. W—DK50/D50.
Характеристики гравия до засыпки и после нее даны в табл. 57.
Из анализа материалов по применению гравийных обсыпок разнозернистого состава следует.
1. При сооружении обсыпок происходит расслоение гравия, » тем большее, чем больше коэффициент неоднородности и меньше окатанность частиц.
2. Наименьшее расслоение наблюдается при непрерывной засыпке гравия.
3. При использовании разнозернистого гравия и засыпке его с перерывом в контуре гравийной обсыпки (в последних ее объемах) образуются слои высотой до 0,5—1 м, в которых наблюдается наибольшее расслоение, что может приводить к пескованию и усадке гравия при прокачках. Поэтому необходимо' создавать запас гравия над верхней частью фильтра высотой 4—5 м.
4. При сооружении скважин большого диаметра можно рекомендовать применение разнозернистой обсыпки при условии, если межслойный коэффициент, умноженный на коэффициент расслоения, не превышает 20 или D90/D50^.20, где D90 и £>5о— диаметры частиц, соответствующие 90- и 50 %-ному содержанию их в породе.
Из приведенных исследований вытекает, что при существующих методах производства работ по обсыпке фильтров гравием, разнозернистого состава не удается полностью избежать расслоения обсыпки и значительное ее улучшение может быть достигнута путем принудительной закачки гравия на забой при помощи эрлифта и эжекторов.
232
ГЛАВА VI.
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ
И РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ ФИЛЬТРОВ СКВАЖИН
§ 37. Прочностные характеристики фильтров
Прочностные характеристики обсадной колонны скважин определяются конструкцией фильтра. Секции фильтра снабжены соединительными элементами различного вида, с помощью которых собирается фильтровая колонна. Фильтры изготовляются из металлов (сталь, медь, бронза), дерева, керамики, пластмасс или других материалов. Они должны обеспечивать устойчивость скважины при максимальном числе отверстий, исключающем значительные гидравлические потери.
Фильтр при монтаже и нахождении в скважине подвергается следующим нагрузкам:
растяжению и сжатию по оси скважины под действием собственного веса при установке фильтра и труб;
боковому давлению пород и гравийной обсыпки в скважине;
фильтрационному давлению при притоке воды в скважину, вызывающему горизонтальные (радиальные) силы сжатия.
Нагрузки на растяжение. При установке фильтров нагрузки связаны с весом фильтра и надфильтровой колонны. Их влияние максимально проявляется в слабых участках колонны: подвесных приспособлениях, поперечном разрезе трубы и соединении секций. Нагрузка при растяжении равна весу колонны, за исключением потерь веса, связанных с погружением ее части в воду. Площадь поперечного сечения трубы связана с ее диаметром dR, толщиной стенки трубы w, числом отверстий, попадающих в это сечение nL, и шириной отверстий b соотношением
F = (dRn—nLb) w. (VI-1)
Предельно допустимое напряжение на растяжение в каждом конкретном случае является предметом исследований изготовляемых фильтров. Допустимая нагрузка на растяжение определяется зависимостью
Pz-=FGz=-(dRn—nib)wGz. (VI.2)
Нагрузка на растяжение должна быть близка к допустимой нагрузке Pz. Допустимая нагрузка на болты при фланцевом соединении секций oz зависит от площади поперечного сечения болта F и их числа ns.
Допустимая нагрузка Рг при соединении болтами
Pz = nsFoz. (VI.3)
16—643
233
Допустимая нагрузка на сдвиг для болтов зависит от допустимого напряжения на сдвиг материала болта т, площади F и числа болтов ns:
Ps^nsFx. (VI.4)
Допустимая нагрузка фланцевого соединения при наличии отверстий
Pt = dsnewL, (VI.5)
где ds — диаметр болта; w — наименьшая толщина стенки фильтра, соединяемого болтами; — допустимое напряжение с учетом отверстий.
Нагрузки на сжатие и устойчивость при сжатии. При установке в скважину фильтр испытывает нагрузки трех видов:
нагрузку на соединения, превышающую допустимую, ось трубы при этом остается прямолинейной;
нагрузку на продольный изгиб, ось колонны становится изогнутой, но на всех участках поперечное сечение трубы сохраняет форму круга;
нагрузку на сжатие, ось колонны остается прямолинейной, поперечное сечение трубы становится эллиптическим или приобретает другую форму.
В соответствии с указанными нагрузками различают устойчивость фильтров на сжатие, продольный изгиб и смятие.
Нагрузка сверху на трубу равна собственному весу колонны. По аналогии с нагрузкой при растяжении
F = (dRn~ nLb); (VI.6)
при допустимом напряжении сжатия ctd несущая способность выражается соотношением
Pd= (dRn—nLb) wod. (VI.7)
Допустимая нагрузка на продольный изгиб, согласно Эйлеру,
^-8)
где Е — модуль упругости материала фильтра; 1 — момент инерции; v — коэффициент запаса; — длина фильтра.
Для цельной трубы
о I I
При анализе работы фильтров возможны продольные изгибы двух вариантов: фильтр может изгибаться полностью или в щелевом фильтре могут изгибаться перемычки между рядами щелей. В случае продольного изгиба всего фильтра Sk равна его длине L. Допустимая нагрузка при продольном изгибе
р = I Е1л2
~ v L2
(VI-9)
(VI. 10)
234
Величина Pki должна быть больше общего веса колонны. При этом коэффициент запаса принимают 1,5—2,0.
Если изгиб происходит в перемычке между рядами щелей,
/ = Ь^3/12, (VI.H)
где bs — расстояние между щелями по горизонтали; w — толщина стенки фильтра.
Допустимое давление при продольном изгибе nst перемычек в поясе и расстоянии между центрами соседних перемычек по вертикали /г/ определяется по формуле:
, ___ 1 Е1п2 _____ 1 Ebsn2w2
~ 3 (й/)2 п^-
(VI. 12)
В фильтрах с мостообразными отверстиями прочностные показатели на продольный изгиб ухудшаются, и при росте нагрузок коэффициент запаса может приниматься равным единице.
Нагрузки и прочностная устойчивость фильтров в скважине. Фильтр, находящийся в скважине, испытывает нагрузки в вертикальном направлении на сжатие и продольный изгиб. Деформация диаметра вследствие продольного изгиба невозможна.
В горизонтальном (радиальном) направлении действуют нагрузки на сжатие и смятие, обусловленные влиянием различных сил, которые могут вызываться: проявлением одностороннего горного давления (или давления гравийной обсыпки); гидравлической подачей гравийной обсыпки в зафильтровое пространство с большой разницей давления снаружи и внутри фильтра; гидравлическим ударом при прокачке скважины с помощью эрлифта. Следует, однако, отметить, что последние два фактора не играют существенной роли, поскольку их проявление в значительной степени компенсируется упругостью пород водоносного пласта.
Горизонтальное боковое давление (горное давление) линейно возрастает с увеличением глубины установки фильтра. Если.стенки фильтра абсолютно гладкие, то на него действует только горизонтальная сила. В случае, когда имеется шероховатость, проявляется действие вертикальных сил. При оценке деформаций, связанных с боковым давлением, может быть использована теория расчета силосных башен. Согласно этой теории, боковое давление
(—иК, \
1-е F J, (VI.13)
/
где F — площадь поперечного сечения цилиндрического отверстия; у — удельный вес грунта; v— окружность фильтра; 7<= =tg2(45°— ф/2) tg д'; ф — угол внутреннего трения водоносных
16
235
пород; tp'— угол внутреннего трения контакта фильтра и пород; z — глубина от поверхности земли; или
/ ~4^ Л
pe=4^tg2(45°—Ф/2)| 1 —е d (VI. 14)
(d — диаметр фильтра).
Если в самом неблагоприятном случае принять, что <р' = 1/з<р» то величину tg2(45° — <р/2) и К можно определить по данным, приведенным ниже:
<р, градус...................... 20
tg2(45°—<р/2) . . . . 0,450
К.............................0,131
25 30 35 40 45 50
0,406 0,333 0,271 0,217 0,171 0,132
0,138 0,138 0,134 0,126 0,115 0,102
При относительно малых глубинах z=5d
pe = -J- tg2(45°—<р/2).
(VI. 15)
Допустимая нагрузка при боковом горном давлении с учетом тангенциальных сил и нагрузки на изгиб. Допустимая нагрузка на круглую трубу со средним диаметром dR и толщиной стенки w при давлении обжатия р составляет:
для цельной трубы
p — 2wcsldR, (VI-16)
для щелевой трубы
Pi^woldR. (VI. 17)
Коэффициент £ зависит от длины щели hs и высоты перемычки между ними по вертикали hst.
Если фильтры с мостообразными отверстиями, устойчивость их зависит от сопротивления на изгиб участка металла, выдавленного штампом.
При длине щели hs, высоте перемычки по вертикали hst и ширине ее по окружности bst допустимая нагрузка равна наименьшей из следующих величин:
8wbsta
P* dR[3(hs + hst^-hst] ’
8wbsic
Рз dR Р — (ha -р hst)z — 3 (/is -|- hSf) hst ~p
(VI. 18)
(VI. 19)
Величины pi, p2 и p3 должны быть больше, чем боковое горное давление.
Допустимая нагрузка при боковом горном давлении и продольная нагрузка с учетом сжатия труб. Для расчета допустимой нагрузки на сжатие рекомендуется использовать графики Флюгге. Устойчивость против сжатия при боковом давлении оценивается
236
по графику (рис. 10, а). Для использования графика необходимо оценить величины
a = 2//d; (VI.20)
(VI.21)
С учетом этих величин оценивается значение р, а затем допустимое давление (в Па):
ph = (34,32-10е(VI.22)
где i — длина трубы, см; d — диаметр трубы, см, w— толщина стенки трубы,, см..
'Допустимая нагрузка на сжатие при осевом давлении. Эта нагрузка определяется с использованием графика (рис. 102, б).
По кривой для соответствующего К принимаются а, а/2, с/3, ..., а/п и для наименьшей величины (р допустимая нагрузка
ро = 02,16 • IO®. (VI.23)
Допустимая нагрузка на сжатие при одновременном действии горного pk и осевого давлений ро- Эти нагрузки должны удовлетворять соотношению
Р//Рл+Ро7ро = 1.
При этом величины pk' и ро' определяют так, как будто действуют соответственно только боковое горное и осевое давления отдельно. И наконец, величина фильтрационного действия на фильтр может быть определена по соотношению
Рф = ц2/200; v = Q/F,
где Q — расход воды, м3/с; F — площадь поперечного сечения фильтра, см2.
237
Пример расчета прочности фильтра. Допустим, что масса 1 м фильтра с соединениями составляет 58 кг, диаметр фильтра 500 мм, толщи, на стенки 4 мм. Секции соединены накладками высотой 100 мм с толщиной стенки 6,5 мм; 20 болтов М10. Фильтр сделан из стального листа с допустимым напряжением растяжения, сжатия и изгиба 120 МПа. Болты из стали с допустимым напряжением иа растяжение и на срез 100 МПа, напряжение растяжения фланца 160 МПа.
Предположим, что верх фильтра находится на глубине 6 м от поверхности земли; 9,5 м фильтра находится над водой и 19,5 м — под водой.
Несущая способность фильтра на растяжение определялась при следующих характеристиках:
Средний диаметр трубы dR, см......................50,4
Толщина стенки ю, см...............................0,4
Ширина щели 1, см..................................0,5
Число щелей пь......................................150
Несущая способность болтов на сдвиг оценивалась при Г=0,49 см и допустимом напряжении на сдвиг 100 МПа. Модуль упругости Е принимался рав-
ТАБЛИЦА 58
Сводные данные о расчетных и фактических нагрузках на фильтр скважины
Действующие нагрузки Фактическая нагрузка Рассчитанная несущая способность Коэффициент запаса
Вертикальное растяжение, кН: фильтра 14,86 398 27
глухих труб 18,42 760 41
соединений на фланцах и болтах 16,97 98 5,8
Вертикальное сжатие, кН: фильтра 17,63 398 23
всей колонны труб с учетом продоль- 17,63 127 7,2
него изгиба водоприемной поверхности с учетом 17,63 19800 1120
продольного изгиба фильтров с учетом сжатия 17,63 2055 116
Горизонтальное давление (горное давление), МПа: фильтра с тангенциальным напряже- 56 3960 71
нием фильтра с учетом продольного изгиба 56 725 1 1
элемента водоприемной поверхности фильтра с учетом смятия 56 725 13
Смятие фильтра (в МПа) при одновременном действии давлений: горизонтального 56 725
осевого 176,3 2055
ным 2,1-105 МПа. Возможность продольного изгиба элемента фильтровой поверхности оценивалась при ts=0,55, w=0,4, h„=3,5, nst=l50. Допустимое тангенциальное напряжение о=120 МПа определялось при Лв=2,9, /г5?=0,6, щ=0,4, </«=50,4, а изгиб элемента — при тех же параметрах фильтровой поверхности п bS(=0,55.
Результаты расчетов прочностных характеристик фильтров приведены в табл. 58.
238
Из приведенных расчетов следует, что даже при относительно небольшой толщине стенки фильтра 4 мм и скважности, превышающей 20%, обеспечивается существенный запас прочности фильтра с учетом всего комплекса возможных деформаций в процессе его установки и нахождения в скважине.
Применение фильтров из штампованных материалов позволяет значительно снизить расход металла по сравнению с фильтрами на основе трубчатых каркасов. Однако в полной мере ориентироваться на прочностные критерии при подборе фильтров можно только при каптаже скважинами вод, не способных вызывать коррозию металлов, или при надежной антикоррозионной защите конструкций.
§ 38. Исследования действия фильтров при переходных процессах
РИС. 103. Зависимость относительной массы выносимых частиц от градиента фильтрации при коэффициенте межслойности:
1 — *м=3,95; 2 —*м=9,74; 3 —feM=26
Толщина гравийной обсыпки
Специфика работы скважин водоснабжения и вертикального дренажа заключается в многочисленных (иногда в течение суток) пусках-остановках погружных насосов. Известно, что при пуске насосов в прифильтровой зоне скважины градиенты фильтрации значительно увеличиваются, предопределяя разрушение сплошности гравийных фильтров, пескование и, как следствие, преждевременный выход из строя насосов. Проведенными во ВНИИВОД-ГЕО исследованиями устойчивости гравийных фильтров и суф-фозионного выноса через них мелких частиц установлено, что интенсивность пескования существенно возрастает с увеличением градиента фильтрации (независимо от коэффициента межслой ности [5]).
На рис. 103 приведены графики зависимости относительной массы выносимых частиц от градиента фильтрации, полученные при опытах в радиальном лотке,
при этом составляла 20 см. Из рассмотрения графиков следует, что при большом коэффициенте межслойности процесс выноса песчаных частиц из водоносного горизонта не стабилизируется, даже при относительно небольших градиентах потока в прифильтровой зоне.
Для выявления характера изменения градиентов фильтрации при пуске насоса и влияния конструктивных особенностей скважин, а также режима пуска насоса на закономерности изменения давлений в фильтре и прифильтровой зоне были проведены специальные исследования в полевых условиях на орошаемом массиве «Каменский под» (скв. 1), на водозаборах в Черкассах (скв.2)
239
и Минске (скв. 3). Данные о конструкции скважин, типе насосного оборудования и положении уровней подземных вод приведены в табл. 59.
Параметры переходного режима работы скважин определяли с помощью следующей измерительной аппаратуры;
потенциометрическими датчиками давления (типа МДД и ЭДД), регистрирующими изменения давления в водоподъемной колонне;
датчиками давления для измерения уровня воды в скважине и пьезометрах;
ТАБЛИЦА 59
Пусковые режимы работы водозаборных скважии
Показатель Скв. 1 Скв. 2 Скв. 3
Тип фильтра Каркасно-стерж лочной обмотке невой с прово-й Щелевой с проволочной обмоткой
Глубина скважины, м 33 54 80
Длина фильтра, м 11,55 9,0 18
Тип установленного насосного оборудования ЭЦВ10-120-60 АЭНП-193-20/2 ЭЦВ10-63-65
Глубина установки насоса от устья, м 18.5 42,0 32
Удельный дебит скважины при откачке, м8/(ч-м) Статический уровень, м 18,35 26,5 8,4
2 27,5 12
Длина водоподъемных труб, м 20,5 44 36
Диаметр водоподъемных труб, м 125 80 109
индукционным расходомером ДР-80 для измерения расхода воды, подаваемого насосом;
скважинным расходомером ТСР-34/70Э для регистрации притока воды из водоносного пласта в ствол фильтра скважины.
Для записей показаний датчиков использовался осциллограф Н-700. Схема оборудования скважины приборами приведена на рис. 104.
Погружные насосы не имели обратных клапанов. Скважинный расходомер был расположен выше фильтра. Таким образом, им замерялся суммарный расход воды, поступавшей к насосу из пласта и из прифильтровой зоны скважины. Однако суммарный расход отличается от объема воды, поднимаемой насосом, так как к нему, кроме того, притекает вода из верхней части межтрубного пространства. Поэтому расход воды, откачиваемой насосом, в переходный период для каждого момента складывается из следующих величин:
<?Hacf==Qrpt+^t+AQo (VI.24)
где Qrp t — приток воды в скважину, поступающий в результате
240
откачки свободного объема воды, находящегося в гравиинои обсыпке; <2пл< — приток воды из водоносного пласта; AQ, —приток воды из межтрубного пространства надфильтровой и водоподъем
ной колонн.
В ходе исследований рассматривались наиболее режимы пуска скважины в работу. Перед пуском воды в скважине и в водоподъемной колонне были равны и соот-
характерные отметки уровня
ветствовали статическому уровню (STp = »Sct) «
Пуск насоса при открытой задвижке. Экспериментальные пусковые характеристики скважины приведены на рис. 105. Характерными особенностями рассматриваемого пускового режима являются быстрое нарастание расхода воды, поступающего из пласта фПл t и прифильтровой зоны скважины Qrp t в период разгона насосного агрегата (0,35—0,40 с после включения), столь же быстрое снижение этого расхода в период 0,5—1,5 с после включения и его плавное нарастание в течение последующих 8—9 с.
В период быстрого нарастания расхода воды происходит резкое снижение давления в скважине, замеряемого датчиком давления (уровня), который устанавливается рядом со скважинным расходомером (в зоне между фильтром и насосом). В период снижения расхода давление быстро нарастает и при последующем плавном увеличении расхода плавно снижается. Такой
РИС. 104. Схема оборудования скважины приборами:
характер изменения расхода и давления позволяет предположить, что первоначально (в период разгона насосного агрегата) увеличение
1, 5 — датчики давления; 2 — скважинный расходомер; 3 — погружной насос;
4 — турбинный расходомер; 6 — индукционный расходомер; 7 — осциллограф;
8 — линия связи
подачи воды насосом происходит
за счет подтока ее (с небольшой скоростью) как из пласта, так и из прифильтровой зоны и межтрубного пространства. По мере возрастания скоростей движения воды в прифильтровой зоне и межтрубном пространстве, происходящего сравнительно быстро, давление в зоне фильтра повышается.
Росту давления способствует снижение подачи насоса, связанное с увеличением напора в водоподъемной колонне по мере ее заполнения водой. Возрастающее давление в прифильтровой зоне
241
блокирует поступление воды из пласта фПл <• В результате в расходе воды, откачиваемой насосом, большую часть начинает занимать вода, поступающая из межтрубного пространства AQt. Этими причинами (уменьшением подачи воды насосом и возрастанием поступления воды из межтрубного пространства) объясняется снижение расхода, регистрируемого скважинным расходомером в период 0,5—1,5 с с момента включения насоса.
Откачка воды в межтрубном пространстве AQ< приводит к уменьшению там напора и снижению объема поступающей в
РИС. 105. Характеристика скв. 8 в режиме пуска насоса при открытой задвижке
скважину воды. Одновременно понижается давление в прифильтровой зоне, в результате чего возрастает количество воды, забираемой насосом из пласта. Таким образом, в течение последующих 8—9 с дебит скважины растет.
Следует отметить, что кривая H=f(t) (рис. 105) характеризует изменение давления в верхней части водоподъемной колонны (давление сжатого воздуха между обратным клапаном, отделяющим скважину от сети, и поднимающейся массой воды). Давление у насоса в период разгона будет выше. Плавное нарастание дебита скважины, однако, нарушается в результате колебания давления, возникающего при завершении заполнения водоподъемной колонны. По достижении потоком обратного клапана возникает гидравлический удар. Колебания давления в трубопроводе вызывают колебания давления (уровня воды) и в скважине, что, в свою очередь, влияет на приток воды из пласта. После этого наступает процесс стабилизации.
Пуск насоса при закрытой задвижке. Осциллограммы, описывающие процесс пуска насоса при закрытой задвижке, приведены на рис. 106. Сравнение характеристик скважины при пуске насо
242
са с закрытой и открытой задвижками показывает, что в первом случае амплитуды изменения давления как в водоподъемной колонне, так и в прифильтровой зоне значительно больше, чем во втором. Характер же притока воды из фильтра Qrp <+фПл t=f (О практически остается таким же, как и при пуске с открытой задвижкой. Таким образом, существующие рекомендации о пуске
РИС. 106. Характеристика скв. 1 в режиме пуска насоса при закрытой задвижке с выпуском воздуха из водоподъемной колонны
РИС. 107. График расходометрии скв. 1 в режиме пуска насоса
погружных насосов при закрытой задвижке с последующим постепенным ее открытием с целью плавного перехода к установившемуся режиму не приемлемы для насосов без обратных клапанов, так как в начальный момент возникает такой же пик расхода, как и при открытой задвижке.
Данные о количестве воды (поступающей из водоносного пласта и прифильтровой зоны), полученные путем регистрации притока расходомером ТСР-34/70 по длине фильтра с интервалом в 7 м, начиная с верхней точки (рис. 107), показывают, что наибольшие изменения расхода в период пуска происходят в верхней трети фильтра. Приток воды в этот момент здесь плавно возрастает от ноля до установившегося значения. Полученные данные указывают на то, что колебания давления в период пус
243
ка по мере удаления от насоса быстро затухают, однако в верхней метровой части фильтра еще остаются значительными. Поэтому можно утверждать, что в этой зоне примыкания водоносного пласта к фильтру будут значительные изменения давления и, следовательно, скоростей притока воды из пласта.
Данные о соответствующем изменении градиентов давлений / в контуре гравийной обсыпки и пласте Inn=f(t), полу-
ченные по результатам исследования скв. 3, приведены в виде графиков (рис. 108). Анализ этих данных показывает, что в пер-
РИС. 108. Графики изменения градиентов давления при пуске погружного насоса:
7, 3 — в гравийной обсыпке; 2, 4 — в прифильтровой зоне; 1, 2 — при открытой задвимске; 3, 4 — при закрытой задвижке
вый момент при пуске насоса максимальные значения градиентов возникают в контуре гравийной обсыпки; они в 1,5—2 раза превышают градиенты давления при установившемся режиме работы скважины. Пласт в этот момент не испытывает таких значительных перегрузок. По абсолютной величине градиенты фильтрации весьма значительны, и поэтому суффозионный вынос песчаных частиц, даже при рациональных коэффициентах межслойности, находящихся в пределах 8—15, неизбежен.
Исследуемые скважины имели различные технические и эксплуатационные показатели. Переходные же процессы при пуске насосов в каждой скважине протекали идентично. Причем, как следует из анализа данных проведенных исследований, на характер переходного режима работы водозаборных скважин значительно влияют характеристики насоса, положение статического уровня, диаметр скважины и толщины гравийной обсыпки. Установка в скважине погружного насоса с пологой характеристикой Q—Н будет содействовать на первой стадии переходного режима работы образованию высоких градиентов давления на контуре гравийной обсыпки в связи с тем, что подача воды насосом в этот момент в 2—3 раза превышает рабочий дебит скважины. Образование высоких градиентов давления в прифильтровой
244
зоне в значительной мере зависит от диаметра скважины и толщины гравийной обсыпки. Чем больше диаметр фильтра, тем меньше выражены пик притока воды в скважину и гидравлический удар.
Особое воздействие на пусковой режим работы скважины оказывает предпусковое состояние водоподъемной колонны. При остановке насоса без впуска воздуха в водоподъемную колонну столб воды, отрываясь от обратного клапана, создает в ней глубокий вакуум. В этом случае повторный пуск протекает в наихуд-ших условиях. В связи с тем что давление в водоподъемной колонне р<рат, насос работает с максимальной подачей более длительный период, что определяет нестационарный процесс, характерный для пускового режима работы скважины.
Таким образом, переходный режим работы скважин, оборудованных погружными насосами, имеет две характерные стадии. На первой стадии в верхней части фильтра возникают значительные колебания расхода, давления и скорости выхода воды из пласта. При этом возникают большие градиенты фильтрации, нарушающие устойчивость прифильтровой зоны. Гидравлический удар, возникающий в напорном трубопроводе во второй стадии, отрицательно сказывается на работе насоса, стыковых соединений трубопровода, арматуры, а также фильтра и прифильтровой зоны.
Пуск насоса при закрытой задвижке, рекомендуемый в инструкциях по эксплуатации погружных насосов и осуществляемый на водозаборах подземных вод и в скважинах вертикального дре-. нажа, не устраняет колебаний давления в водоподъемной колонне и прифильтровой зоне. Напротив, в ряде случаев они более интенсивны, чем при пуске насоса при открытой задвижке. Увеличение диаметра скважины и толщины гравийной обсыпки способствует образованию регулирующих объемов воды, которые обеспечивают более плавный пуск насоса.
Для безопасного и надежного пуска насоса в условиях автоматизированного и телемеханизированного управления скважинами и сохранения прочностных характеристик фильтров необходимы плавный запуск погружных насосов и меры борьбы с гидравлическим ударом в трубопроводе. В качестве таких пускорегулирующих устройств возможно применение кольцевых задвижек.
В общем же случае при переходных процессах в скважинах каркас фильтра и его водоприемная поверхность испытывают относительно небольшие перегрузки и нарушение целостности фильтра маловероятно. Более опасно проявление пескования скважин при пусковых режимах работы и нарушение естественного фильтра. В качестве технологического решения, способствующего меньшему проявлению процессов пескования в гравийных фильтрах, может быть предложено уменьшение коэффициента межслой-пости в верхней части фильтра длиной не более 2 м. Однако определяющим фактором в этом отношении должно явиться создание арматурных устройств и приспособлений, обеспечивающих плавный пуск скважины в эксплуатацию.
245
§ 39. Ремонтопригодность фильтровых скважин при дискретном импульсном воздействии
Нормативными документами по проектированию водозаборных скважин предусматриваются мероприятия по поддержанию их стабильного действия в расчетный период эксплуатации [27]. В зависимости от гидрогеологических условий эксплуатация скважин после проведения регенерации рассчитывается на срок от 8 до 25 лет. Однако нередки случаи, когда уже через 2—3 года эксплуатации водозабор начинает работать малоэффективно, что предопределяет необходимость восстановительных работ. Для восстановления дебита скважин на воду применяют реагентные, а также импульсные методы, осуществляемые однократно в ходе обработки, например взрыв ТДШ или вибрации с некоторой заданной частотой. При конструировании фильтров необходимо учитывать вероятный 3—5-кратный ремонт скважин, принимая во внимание технологические приемы, оборудование и перспективы их совершенствования.
При реагентных обработках нежелательное воздействие растворения кольматирующих отложений на материал фильтров и гравийных обсыпок устраняется подбором соответствующих реагентов или ингибированием, что входит непосредственно в технологический процесс регенерации. Применение же импульсного воздействия обычно труднорегулируемо, а предельные значения амплитуд давления и частотных характеристик до недавнего времени оставались неизвестными. Существенный интерес представляют при этом не только предельные нагрузки на фильтр-каркас, но и характер деформации его (изменения фильтрационных и суффо-зионных характеристик гравийных обсыпок или пород в прифильтровой зоне).
Дискретное импульсное воздействие при декольматации скважин осуществляется последовательным приданием импульса давления столбу воды в скважине и, следовательно, ее фильтру. Наибольшее распространение при таком воздействии нашли взрыв ТДШ, электрогидравлический удар (ЭТУ), пневмовзрыв (ВПВ), имплозия. Импульс энергии передается закольматированному фильтру в форме ударной волны и акустических волн, которые сопровождаются переходными процессами, проявляющимися в затухающих колебаниях давления в зоне выделения энергии, и в виде энергии фильтрационного потока.
Ударная волна создается быстрым (порядка 1—100 мкс) выделением энергии в среде, подвергающейся импульсному воздействию. В зависимости от акустической жесткости среды основными разрушающими факторами являются расширяющиеся газы, прямые и отраженные волны. Комплекс всех действующих факторов в максимальном их выражении проявляется при взрыве ВВ, в частности ТДШ: ударная волна, волны сжатия, гидропоток переменного направления и фильтрационный поток. При этом, очевидно, что ударная волна наиболее опасна для каркаса фильтра,
246
а волны сжатия и гидропотоки переменного направления — для каркаса фильтра и гравийной обсыпки.
Сравнительные исследования интенсивности воздействия на фильтр показывают, что максимальные давления возникают при взрыве ТДШ. Так, при проведении опытных работ в лаборатор-ТАБЛИЦА 60
Давление на стенку фильтра при взрыве в скважине ТДШ (в МПа)
Число ниток ТДШ Диаметр фильтра, мм
168 216 254 325
1 31,3 23,8 18,1 15.2
2 40,7 30,9 23,5 19,7
3 47,3 36,0 27,3 22,9
ных и полевых условиях было отмечено, что при взрыве ТДШ на стенке фильтров различного диаметра давление находится в пределах, приведенных в табл. 60.
При производстве ЭТУ давление в канале пробоя при оптимальных параметрах разрядного контура не превышает 10— ТАБЛИЦА 61
Допустимое давление на фронте ударной волны
Тип каркаса фильтра Тип водоприемной поверхности Допустимое давление, МПа
Трубчатый стальной Без дополнительной водоприемной поверх- 60
ности
Проволочная с диаметром проволоки 3 мм 50
Штампованный лист толщиной 0,8—1,0 мм 20
Сетчатая 10
Каркасно-стержне- Без дополнительной водоприемной поверх- 40
ВОЙ НОСТИ
Проволочная с диаметром проволоки 3 мм 30
Штампованный лист толщиной 0,8—1,0 мм 20
Сетчатая 10
Штампованный Без дополнительной водоприемной поверх- 300
стальной НОСТИ
Проволочная с диаметром проволоки 3 мм 300
Сетчатая 100
Трубчатый полиэтиленовый — 50
Трубчатый из поли- .— 20
винилхлорида Блочного типа — 20
12 МПа, а на внутренней стенке фильтра оно будет ниже. Воздействие ВПВ в зоне фильтра создает импульс не более 5—6 МПа. Следовательно, при оценке ремонтопригодности фильтра и намечаемых методах ремонта импульсным воздействием необходимо ориентироваться на предельные нагрузки при взрыве ТДШ. Эти
247
нагрузки изменяются от 30 до 50 МПа при предельно допустимом (минимальном) диаметре фильтра, равном 168 мм.
Перед организацией серийного производства конструкции фильтра и составлением технических условий на его применение необходимо специальное стендовое испытание на допустимое импульсное воздействие. В настоящее время с учетом опыта восстановительных работ [23] для выпускаемых серийно конструкций рекомендуемые удельные импульсные нагрузки приведены в
РИС. 109. Характеристика разрушения фильтров при взрыве в скважинах ТДШ: 1 — скважины, подвергшиеся первой обработке взрывом ТДШ; 2 — скважины, подвергшиеся вторичной обработке; 3 — скважины, подвергшиеся третьей обработке
табл. 61. Указанные предельные значения импульса давления справедливы для скважин, эксплуатировавшихся до регенерации не более 2 лет. В случае же длительно эксплуатировавшихся скважин вероятность разрушения фильтра существенно увеличивается. Характерные данные, иллюстрирующие вероятность разрушения фильтра при взрыве ТДШ, приведены на рис. 109. Вероятность вывода из строя каркасно-стержневых фильтров с проволочной обмоткой существенно возрастает с увеличением срока эксплуатации скважин и числа обработок.
При проектировании регенерации скважин импульсными воздействиями прочностные характеристики фильтров должны задаваться с существенным запасом, обосновывающим успех восстановительных работ, или следует ориентироваться на другие методы, менее интенсивно влияющие на прочность конструкции и ее суффозионную устойчивость.
24 8
§ 40. Ремонтопригодность скважин при вибрационно-импульсном воздействии
Вибрационные установки, применяющиеся в настоящее время при освоении скважин и их декольматации, представлены двумя видами: низкочастотными вибраторами ВУР-2, ВУР-3, ВУР-4, разработанными во ВНИИГС Минмонтажспецстроя СССР [12], и элек-тровибрационными установками Ивано-Франковского института нефти и газа [24]. Установки первого вида, успешно применяющиеся при разглинизации скважин, пробуренных роторным способом с промывкой глинистым раствором, обеспечивают частоту вибрации 8—12 Гц и амплитуду гидродинамического давления 0,2—0,4 МПа. При электровибрационном возмущении частота варьирует в пределах 10—50 Гц, а амплитуда составляет 0,5— 0,8 МПа.
Следовательно, с учетом фиксируемых амплитуд гидродинамического давления при дискретном во времени импульсном воздействии перепад давлений при вибрационном воздействии не будет являться определяющим для обоснования прочностной устойчивости фильтров.
Частота колебаний в случае низкочастотной вибрации существенно ниже собственной частоты колебания трубчатого или стержневого каркас,а, находящейся в пределах 50—350 Гц, т. е. достижение резонансного режима практически невозможно, а проведенные эксперименты изменения поля давлений при резонансном режиме свидетельствуют об удвоении расчетного гидродинамического давления. При электровибрационной регенерации достижение резонансного режима в принципе возможно, но, как и в предыдущем случае, максимальное давление не будет превышать 1,0—1,6 МПа, т. е. определяющими прочностные характеристики фильтров при регенерации должны быть дискретные импульсные методы (ТДШ, ЭГУ, ВПВ).
Однако ряд особенностей вибрационного воздействия на рыхлые водонасыщенные среды, в частности оценка возможности уплотнения пористой среды, разжижения пород и изменения их суффозионных характеристик, особенно применительно к гравийным фильтрам, потребовал постановки лабораторных экспериментов для исследования закономерностей развития этих процессов и ремонтопригодности фильтров.
Из работ Д. Д. Баркана, Н. Н. Маслова и П. Л. Иванова известно, что при непосредственном вибрационном воздействии на песчаный грунт его структура разрушается и он уплотняется. Причем изменение коэффициента пористости грунта зависит от интенсивности вибрационного воздействия, критерием которого принято считать ускорение колебаний.
Вибрационная гидродинамическая обработка водонасыщенных песков при обработке скважин отличается от изученных указанными авторами процессов тем, что воздействие вибраций на песок происходит за счет гидродинамического давления, возбуждае
17—643
249
мого в столбе воды. В качестве критерия оценки интенсивности воздействия гидродинамического давления принята величина положительной амплитуды ее импульса в определенном диапазоне частоты.
Для исследования влияния вибрационного гидродинамического давления на фильтрационные характеристики водонасыщенного
РИС. НО. Экспериментальная установка для изучения влияния вибрационного воздействия на фильтрующие свойства пород и гравийных обсыпок:
I—VJ—порядковые номера пьезометров; 1 — фильтрационная трубка; 2 — вибрирующий диск; 3 — штанга; 4— труба; 5 — пьезометрические трубки; 6 — перепускной шланг; 7 — бак; 8 — вибратор
РИС. 111. Обобщенные данные об изменениях коэффициента водопроницаемости песков при вибрировании в зависимости от расстояния от источника вибрации (экспериментальные точки и огибающие кривые)
песка во ВНИИГСе [11] была изготовлена специальная экспериментальная установка (рис. ПО), представляющая собой модель скважины, выполненную из вертикально установленной на опорах трубы высотой 6 м, внутренним диаметром 100 мм. В нижней части ее на расстоянии 60 мм от дна установлена горизонтальная фильтрационная трубка длиной 1,1 м, внутренним диаметром 100 мм. Эта трубка с торцов закрыта фильтровыми сетками, а ее полость заполнена песком (разнородным с частицами 0,1—1,0 мм
250
и однородным с частицами 0,3—0,6 мм). Таким образом моделировался фрагмент призабойной зоны скважины.
Вдоль продольной оси фильтрационной трубки в сквозных отверстиях, также снабженных фильтровыми сетками, расположены штуцеры каналов, соединенных с пьезометрическими трубками, которые установлены на щите с метрической разметкой. В верхней части установки на амортизирующих пружинах, исключающих передачу вибраций вертикальной трубе и фильтрационной трубке, смонтирован вибратор продольно-направленного действия, к днищу которого прикреплена штанга, опущенная в полость вертикальной трубы и снабженная диском диаметром 98 мм, который расположен над местом крепления фильтрационной трубки. Во время опытов диск колеблется с амплитудой 7 мм при частоте 950 кол/мин и возбуждает в воде гидродинамическое давление, положительная амплитуда импульса которого составляет 0,24 МПа.
Питание установки водой осуществляется от водопроводной сети через бак, установленный на верхней площадке. Конструкция бака обеспечивает постоянный напор воды. Вода первоначально подается сверху вниз, а затем горизонтально по фильтрационной трубке в полость вертикальной трубы. По этой полости вода вновь поднимается вверх до определенной отметки и попадает в мерный бак.
Цель экспериментов состояла в изучении фильтрационных характеристик песка до и после его вибрационной гидродинамической обработки, продолжительность которой составляла 10 мин. Критерием оценки служил коэффициент фильтрации, который определялся поинтервально — в зоне между соседними пьезометрами по формуле Дарси. В каждом опыте расход воды на изли-ве Q и разность показаний пьезометров АН измеряли одновременно через определенные интервалы времени и прекращали замерять при стабилизации измеряемых величин.
Опыты проводили с песками двух видов: со значительным коэффициентом неоднородности при диаметре частиц 0,1—1,0 мм и однородным песком при диаметре частиц 0,3—0,6 мм. Песок укладывали в фильтрационную трубку послойно и уплотняли в процессе укладки. Процесс изменения фильтрационных характеристик стабилизируется весьма быстро (через 2—4 мин), а максимальное уплотнение наблюдается вблизи источника вибрации. Такого же рода закономерности наблюдаются и при варьировании частотных характеристик вибрации от 680 до 1450 кол/мин, а также амплитуды колебаний. Обобщенные данные об изменении водопроницаемости песков после вибрирования по восьми вариантам опытов приведены на рис. 111.
Максимальное снижение водопроницаемости песков не превышает 35%, а если исключить зоны разуплотнения пород, то среднее уменьшение коэффициента фильтрации пород после вибрации не превышает 7—15%. Незначительное уплотнение однородных и разнозернистых песков при вибрационном воздействии и наблю-цаемое отличие этих процессов при декольматации скважин и
17*
251
прямом наложении вибрирующего органа на уплотняемые породы, вероятно, связаны с демпфирующим влиянием столба воды в скважине и наличием в небольших количествах защемленного воздуха (газа) в пористой среде.
Аналогичные результаты были получены при проведении экспериментальных исследований в вертикальной фильтрационной трубке при электровибрационном воздействии [24]. При этом моделировалось и исследовалось уплотнение пористой водонасыщенной среды и изучалась возможность кольматации и пескования гравийных фильтров при различных коэффициентах межслойности.
Опыты проводили как с чистым песком фракций dso = O,3 мм, d5o = O,5 мм, J5o = 0,7 мм и чистым гравием Д5о = 3 мм, так и для системы песок — гравий, имитирующей скважину, каптирующую водоносный горизонт с гравийной обсыпкой. В последнем случае в эксперименте моделировался песок фракций d5O = 0,3 мм, d60 = = 0,5 мм либо dso = O,7 мм при неизменной фракции гравия £>5о=3 мм. Жидкостью служил электролит на основе хлористого натрия с концентрацией 100 г/л с физическими параметрами (динамическая, кинематическая вязкость, плотность), мало отличающимися от воды. Амплитудные и частотные параметры разряда задавались в диапазонах 200—500 и 5—200 Гц.
Достоверность полученных результатов изменения фильтрационных свойств среды обеспечивалась соблюдением критериев подобия, где основными параметрами взяты длительность воздействия t, проницаемость пористой среды k и горное давление р. Модель и натура будут подобны, если соблюдаются условия
Q . &Рн _Q &Рм _ ;-11 _Q г-н
ком ком ’ Рн Рм ’ А 1 А 1
Здесь индексы «м» относятся к параметрам модели, «н» — к параметрам натуры; w— частота вибровоздействия.
При горном давлении 2 МПа и вибровоздействии в скважине импульсами 0,8 МПа величина Д£н/k0„ = 8/20 = 0,4. Следовательно, при воздействии на модель пласта импульсами давления 0,1 МПа напряжение в среде должно составлять 0,25 МПа. Необходимое напряжение в среде создавалось поджатием сетки, расположенной над пористой средой.
Перед началом экспериментов среда в сборном цилиндре утрамбовывалась механически, поджималась верхней шайбой и промывалась в течение 12 ч. Такая операция повторялась дважды с целью обеспечения более плотной упаковки частиц и формирования среды, аналогичной среде водоносного пласта. Далее по показаниям пьезометров определяли значения коэффициентов фильтрации kOM. По ходу опыта после каждого цикла работы разрядника (3—5 мин) находили текущие значения для зоны песка и гравия в пограничной зоне песок — гравий.
Экспериментальные зависимости отношения текущего коэффициента фильтрации к начальному в процессе вибровоздействия 252
показаны на рис. 112. Величина Лф/&0 убывает по закону, близкому к экспоненциальному вне зависимости от структуры среды. С увеличением эффективного диаметра песков наблюдается более интенсивное снижение коэффициента фильтрации. Стабилизация фильтрационных свойств достигается к 6—9 мин работы разрядника для песков, к 12—15 мин для гравия и к 10—12 мин для •системы песок — гравий. По истечении 10—15 мин коэффициент фильтрации практически не зависит от времени воздействия. Опыты при различных соотношениях эффективных диаметров частиц
РИС. 112. Зависимость изменения коэффициента фильтрации песков от продолжительности электровибраци-онного воздействия
РИС. 113. Зависимость коэффициента фильтрации от коэффициента меж-слойностп водоносной породы и гравийной обсыпки
песка и гравийной обсыпки показали, что с ростом среднего диаметра частиц песка изменение коэффициента фильтрации уменьшается (рис. 113). Это объясняется снижением проникновения песка в результате суффозии в зону гравия. При соотношениях ^>5о/^5о^6, т. е. близких к критерию геометрической непросыпае-мости, проникновения частиц пласта в зону обсыпки не наблюдается. Варьирование частотных характеристик в диапазоне 5— 200 Гц мало сказывается на изменении коэффициента фильтрации и времени его стабилизации.
В общем случае, как показали экспериментальные исследования по изучению уплотнения среды, в случае вибромеханического низкочастотного и электровибрационного воздействия уменьшение коэффициента фильтрации незначительно и не превышает 15%. В фильтрах с гравийной обсыпкой заметное снижение водопроницаемости гравия вследствие проникновения песчаных частиц в его поры отмечается при коэффициенте межслойности >10, однако и в том случае относительное снижение проницаемости <30%.
Таким образом, при вибрационных методах освоения или регенерации скважин на воду фильтр-каркас испытывает незначительные нагрузки и не они являются контролирующими при оценке ремонтопригодности скважин. В то же время при проведении работ следует ожидать уменьшения коэффициента фильтрации в профильтровой зоне на 15—20%, а опасность суффозии и кольматации гравийной обсыпки при коэффициентах межслойности > 10 предопределяет нецелесообразность вибрационного воздействия.
253
ГЛАВА VII.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ
ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕБИТА СКВАЖИН НА ВОДУ
§ 41. Обоснование межремонтных периодов водозаборных и дренажных скважин
Исследования, проведенные на многочисленных водозаборных и дренажных сооружениях, приводят к необходимости определения межремонтных периодов скважин и разработки методов их регенерации. Это связано главным образом с тем обстоятельством, что действующие в настоящее время нормы амортизационных отчислений Госплана СССР на основной элемент водозаборов и дренажей — скважины — исходят из расчетных сроков эксплуатации скважин 8, 15 и 25 лет (в зависимости от гидрогеологических условий). В действительности же период устойчивой работы скважин, как правило, оказывается значительно меньше, а нормативный срок амортизации может быть достигнут только в случае разработки системы мер по поддержанию стабильной работы скважин, т. е. системы технического обслуживания и ремонтного обеспечения.
Проблема оценки межремонтного периода скважин имеет два аспекта. Первый касается необходимости поддержания стабильной работы в расчетный период собственно скважины как сооружения, обеспечивающего производительность водозабора в целом. Второй же аспект задачи связан с обеспечением допустимого понижения уровня в течение всего срока эксплуатации водозабора в условиях сложного взаимодействия системы скважин, их кольматации и действующего водоподъемного оборудования.
При решении этой задачи следует исходить из того, что при действии скважин в режиме Qj = const кольматаж их приводит к росту понижения уровня воды и, когда величины S, (t), достигают предельных значений 5/доп, дальнейшая эксплуатация водозабора невозможна. Если же скважины действуют в режиме S; = const, то наблюдается непрерывное снижение их дебита и в конечном счете через какой-то период времени суммарная подача воды станет меньше требуемой нормы водопотребления.
Опыт эксплуатации водозаборов показывает, что время, за которое S; скважин достигает значений Slnon или суммарная подача воды из скважин снижается до величин, меньших Qs, несоизмеримо с расчетным сроком действия системы. В связи с этим возникает необходимость в проведении профилактических мероприятий по восстановлению дебита скважин. Эти мероприятия должны проводиться с определенной периодичностью, причем очередность работ на скважинах в общем случае может с ней не совпадать. С этой точки зрения важна количественная оценка
254
факторов, обусловливающих изменение производительности системы, и в частности определения параметров кольматации скважин. Последние могут быть установлены на основе опробования отдельных скважин в процессе их эксплуатации и обработки полученных материалов по методике, изложенной в гл. II.
Пусть имеется система, состоящая из большого числа скважин. Для общности примем, что конструкции скважин различны и, следовательно, величины S/доп не одинаковы. Будем считать, что имеются все необходимые для выполнения гидрогеологических расчетов данные, т. е. известны: параметры водоносного пласта, схема расположения скважин относительно границ областей питания и разгрузки, фильтрационные параметры прискважинных зон, параметры кольматации скважин и т. д. Помимо этого задана величина Qs системы. Требуется установить период стабильной работы водозабора Tv, а также значения ^/шах по скважинам и ИХ Дебит Qj min.
Если по скважинам задать условия Sj=St-лоп, то в результате гидрогеологических расчетов будут установлены дебиты Qj, соответствующие максимальным дебитам скважин. Эти дебиты определяются из решения следующей системы линейных алгебраических уравнений:
51Доа=2^№г + ^(0] + -+^ +
5/ доп = +
5дгдоп = Rni + •• + 2^7Ялг;+ ••• + (01.
(VII. 1) где Кц — фильтрационное сопротивление, обусловливающее влияние /-й скважины на i-ю скважину.
Система уравнений (VII. 1) содержит столько неизвестных величин Qj, сколько на участке водозабора эксплуатируется скважин. Решение ее может быть получено методом Гаусса.
Задача по определению величин Tv, g/max и Q/min сводится к многократному решению системы уравнений (VII. 1) для различных периодов времени, т. е. с учетом изменения величин £j(t), По результатам этих расчетов строят графики £/(0, Qj— t и SQ/—t (рис. 114). На пересечении кривой 2Q,—t с линией Qs находится точка, абсцисса которой равна t—Tr,. Определив таким образом межремонтный период, по графикам — t и Qj— t можно найти соответственно значения £/тах и Q/min. Вполне очевидно, что при t>Tv величины превысят £/тах и, следовательно, Qi станут меньше Q/min, a 2Qj<Qs.
В качестве примера ниже приведены результаты расчетов по определению межремонтного периода для скважин Киевского водозабора Курска. Рассматриваемый водозабор состоит из трех скважин, располагающихся в виде линейного ряда вдоль берега
255
р. Сейм. Расстояние между скважинами в ряду 25—30 м, расстояние от скважин до уреза воды в реке 25—80 м. Водоносный горизонт гидравлически связан с рекой. Водопроводимость водоносного горизонта &т = 400 м2/сут (& = 20 м/сут, т = 20 м). Скважины являются совершенными по степени вскрытия водоносного пласта.
На участке Киевского водозабора подземные воды склонны к осадкообразованию. Исследованиями ВНИИВОДГЕО установле-
РИС. 114. Зависимость показателя сопротивления фильтра, обусловленного коль-матажем, от производительности скважин на водозаборе:
J 2 — <2(0 одиночной скважины; 3 — Q(t) при уменьшении системы скважин; 4 —
2<2у(0; 5 — Д<2г(0; 6 — допустимая производительность
ны параметры кольматажа скважин, а именно определены величины Соу и No/tto по отдельным, скважинам. Они составили: 007 = 0,0144-0,033 мес-1 и N0/n0^l. Кроме того, для каждой скважины найдены 5ДОП в зависимости от их конструктивных особенностей и конкретной привязки к гидрогеологическим условиям. Расчеты проводили по специально разработанной для этой цели программе, реализующей изложенную выше методику.
На рис. 114 приведены графики изменения £,(/) и Qj(t) во времени для одной из скважин водозабора. Расчеты величины £/(/) проводили при £ф=4 м/сут, го=0,2 м, гс = 0,25 м, Соу = = 0,033 мес-1, N0/n0=l. Дебит скважины определяли для двух случаев: а) в предположении, что другие водозаборные скважины не работают; б) при действии системы скважины. Как видно из графиков (рис. 114), с ростом дополнительного сопротивления £/ наблюдается снижение дебита скважин, однако характер изменения Qj(t) оказывается различным. Если в первом случае график Qi(t) имеет ярко выраженный экспоненциальный характер, то во втором случае эта зависимость выражается в близкую к линейной.
256
Это объясняется следующим. Согласно системе уравнения (VII. 1), дебит любой i-й скважины
„ ... _ 2nTSj доп 2nTE'ASij (t) f VII 2)
*« + &(<) Ra + Zid) ' 1 ' 7
где &Sti(t)—дополнительные понижения уровня в i-й скважине, обусловленные действием N скважин системы; S' означает, что из суммы исключены скважины с номером i.
Первый член в уравнении (VII.2) определяет дебит скважины без учета соседних, второй—величину снижения дебита i-й скважины AQi(/) за счет действия остальных скважин. Поскольку в рассматриваемом случае все скважины действуют в режиме S = const и в процессе эксплуатации наблюдается снижение то величины AS//(О также будут уменьшаться. Таким образом, с одной стороны, уменьшается за счет снижения ве-
личины ^'ASij(t), а с другой — за счет роста дополнительного сопротивления £t(i) анализируемой скважины. В общем случае характер снижения может быть самым разнообразным.
Из графика AQt(t) на рис. 114 видно, что в данном случае он аналогичен изменению во времени величины Q(t) одиночной скважины. При /=24 мес величина AQi(t) уменьшается до нуля, и при />24 мес величины Q(t) одиночной скважины и AQ,(i) при действии системы скважин равны.
На рис. 114 также приведен график изменения во времени производительности водозабора. При известной норме водопотреб-ления Qs—1100 м3/ч. По этому графику находится величина ТР — межремонтный период. В данном случае 7’р=20 мес.
Необходимость многократного решения системы уравнений (VII.1) вызывает большие трудности. Поэтому целесообразно использовать ЭВМ. не только для вычисления £/ и Q, скважин в различные моменты времени, но и для вычисления Т$ и предельных значений £/тах и Q/mIn. Для инженерных расчетов методика определения межремонтных периодов скважин может быть существенно упрощена. Если принять в формуле (VII.2), что YASii(t) — const, то будем иметь
г) /а 2пТ [.S; (/)]
Ru + & (0
Предположение о том, что S'ASz/(i) = const, соответствует условию Q/=const. Таким образом, считается, что при оценке изменения Q,(t) для любой i-й скважины дебит других скважин системы не изменяется.
На рис. 115 приведен график рассчитанный по формуле (VII.3). В этом случае значения Qi(t) оказываются заниженными, это соответственно обеспечивает некоторый запас по времени при определении межремонтных периодов скважин.
Вместе с тем следует помнить, что если в процессе эксплуатации скважин проводили наблюдения за изменением Qt(t) и S,(i), то характер изменения удельного дебита ?((i), определяемый от-
257
ношением может быть самым разнообразным, по-
скольку оказывается зависящим не только от интенсивности снижения Qi(t) и но и от того, как протекает изменение дебитов по другим действующим скважинам.
Анализируя закономерности изменения во времени удельных дебитов и показателя обобщенного сопротивления скважины, об-
условленного кольматажем, можно судить о состоянии скважины и необходимости ее регенерации. Характер соотношения (VII.3) таков, что при сооружении скважин с k0$^k, т. е. при выполнении нормативных требований, сначала наблюдается относительно медленное изменение соответственно и qi(t), а через определенный промежуток времени, продолжительность которого зависит
РИС. 115. График изменения производительности водозабора
от типа фильтра скважины, химического состава подземных вод, условий эксплуатации скважин, изменение qi(t) и существенно интенсифицируется. Это связано с закономерностями уменьшения водопроницаемости пористой среды, с ростом ее насыщенности кольматантом. Аналогичное соотношение наблюдается и для фильтра-каркаса или фильтра с некоторой дополнительной поверхностью. Как
следует из результатов гидравлических исследований фильтров, изменение скважности в области ее значений
15—20% незначительно сказывается на показателе сопротивления или коэффициента водопроницае
мости.
Исследуя зависимости qt(t) или на наличие точки перегиба, можно оценить период времени, через который начинается интенсивное изменение этих величин, и приурочить к нему восстановительные мероприятия.
Изучению закономерностей кольматации скважин были посвящены многолетние исследования ВНИИВОДГЕО в различных гидрогеологических условиях при различных способах водоотбора применительно к скважинам, оборудованным различными конструкциями фильтров. Обобщение данных более чем по 500 опытным скважинам позволило заключить, что время стабильной работы, или межремонтный период, скважин на воду не превышает 1,5—2 лет. Некоторые из этих данных приведены в табл. 62.
Таким образом, для оценки межремонтного периода водозаборных и дренажных скважин необходимо проведение комплексного анализа действия системы в целом, что не исключает, а, скорее, предполагает изучение старения отдельных скважин. Наблюдения и исследования свидетельствуют о том, что межремонтный период редко превышает 2—3 года. Однако продолжительность межремонтного периода в значительной мере зависит от конструкции скважин и типа установленного в них фильтра. Наиболее
258
ТАБЛИЦА 62
Данные по межремонтному периоду водозаборных и дренажных скважин
Номер скважины ' Конструкция фильтра Тип водоотбора Межремонтный период, мес.
Горьковский вертикальный дренаж
2 11 Гравийный с водоприемной поверхностью из штампованного листа Самоизлив 9,5 7,1
3 Кожуховый с кожухом из просечного » 11,2
7 листа i 7,9
4 Гравитационной конструкции МГМИ » 10,0
5 9,5
6 Каркасно-стержневой с гравийной об- » 10,0
10 сыпкой 6,8
1 Блочный на клее БФ-4 из гравия с частицами диаметром 2—3 мм на трубча- » 9,8
том каркасе
12 Блочный на клее БФ-4 из гравия с частицами диаметром 1 мм на стержневом » 7,4
каркасе
8 Керамический на стержневом каркасе » 7,4
1Щ Мягкопоролоновый » 6,3
2щ 5,8
Зщ — Жесткопоролоновый » 4,0
4щ 7,6
9щ 7,6
5щ Керамический бескаркасный » 3,0
7щ Тарельчатый конструкции ВСЕГИНГЕО » 8,5
Ульяновский вертикальный дреь шж
177 2а Каркасно-стержневой с проволочной обмоткой и гравийной обсыпкой Сифонный 5,0
183а То же » 35,5
124а » » 13,3
100а » » 7,0
102 За » » 12,7
103а » » 3,9
113а » » 7,9
164а » » 6,3
172 4а » » 8,9
85а » » 8,0
90а » » 12,8
177а Пористо-керамический на трубчатом каркасе Сифонный 3,8
222а То же » 4,1
159а » » 9,1
200а » » 4,2
122а » » 3,9
126 2а » » 4,3
170а » » 3,2
199а » » 2,8
201а » » 4,5
259
долго могут эксплуатироваться скважины с уширенным контуром гравийной обсыпки при установке фильтров-каркасов с большой скважностью.
Наличие упомянутых критериев позволяет с достаточным обоснованием назначить сроки регенерации скважин. Однако следует иметь в виду, что увеличение межремонтного периода сверх указанных предельных значений в большинстве случаев приводит к усложнению и удорожанию восстановительных мероприятий вследствие уплотнения, дегидратации кольматанта, увеличения размеров закольматированной зоны. Поэтому последующее рассмотрение методов восстановления дебита скважин включает анализ способов, которые могут быть рекомендованы при рациональном межремонтном периоде и рассчитаны на регенерацию длительно эксплуатировавшихся водозаборных сооружений.
§ 42. Классификация методов регенерации скважин на воду
Методы регенерации скважин на воду и технологию их реализации разрабатывали на базе научного обоснования их применения с учетом совершенствования технологических приемов, исследования и разработки способов контроля хода регенерации, выработки критериев для оценки эффективности восстановительных мероприятий.
Основная задача при восстановлении дебита скважин на воду, оборудованных фильтрами, — удаление кольматирующих отложений с фильтра и из прифильтровой зоны. При этом трудность заключается в удалении кольматанта с наружной поверхности фильтра и из гравийной обсыпки (водоносных пород). Решение этой задачи достигается растворением кольматирующих отложений при подаче реагента в призабойную зону скважины либо таким разрушением кольматанта, при котором размер образующихся кольматирующих частиц становится меньше размера пор гравийной обсыпки и они выносятся в процессе последующей или одновременной с импульсным воздействием прокачки.
Следовательно, если исключить методы очистки внутренней поверхности фильтра (которые далее не рассматриваются, поскольку не могут явиться кардинальным методом при регенерации скважин), то по характеру воздействия на фильтр и при-фильтровую зону можно выделить реагентные, импульсные и импульсно-реагентные методы (рис. 116). Первая группа предназначена для растворения кольматанта, и задачами технологических исследований являются подбор вида реагента, его количества, обоснование рациональной технологии обработки в зависимости от гидрогеологических условий и конструкции скважины, надежного метода контроля хода обработки и критерия для оценки ее окончания.
При осуществлении импульсной регенерации необходимо оценить возможную степень дробимости новообразований в при-
260
фильтровой зоне и декольматации скважин при обработке в случае минимальных энергетических затрат, а также при условии обеспеченности сохранности самого фильтра. Сочетание импульсных и реагентных методов призвано обеспечить большую эффективность вследствие создания более равномерной водопроницаемости пород в прифильтровой зоне по вертикали и развитой поверхности кольматанта при импульсном воздействии, что обеспечивает интенсивное и совершенное растворение внутрипорового цемента.
Импульсные методы
Методы регенерации скдажин на Воду
Импульсно - реагентные методы
§
Реагентные методы
Виброреагентные методы_________
£3
М
СЧ -3
3 ы
Дискретные импульсно-реагентные методы
Е
а
*
и Е
а
Е и
Термореагентные методы
РИС. 116. Классификация методов регенерации скважины на воду
Реагентные методы восстановления дебита или улучшения водопроницаемости прифильтровых зон вновь пробуренных скважин применяли при сооружении и эксплуатации скважин на нефть и газ, а также скважин на воду. Однако до недавнего времени в качестве реагента при обработке скважин в карбонатных коллекторах, а также фильтровых скважин, закольматированных в. основном гидроокислами железа, использовали соляную кислоту. Исследования в этом направлении проводили В. М. Гаврилко, В. М. Беляков, Н. Д. Бессонов, В. В. Сафонов, Б. Г. Логинов, В. Т. Гребенников, В. А. Амиян. Ряд работ по подбору количества соляной кислоты и технологии обработок скважин связан с их освоением в случае бурения с промывкой меловыми и глинистоизвестковыми растворами.
До начала наших работ в этой области имелись предложения по применению сульфаминовой кислоты, нескольких композиций соляной кислоты с ингибиторами и замедлителями процесса раст
261
ворения, а также плавиковой и угольной кислот [28].- Как пока* зали исследования, соляная кислота оказалась наиболее универсальным и доступным реагентом, однако в некоторых условиях положительных результатов не получила, поэтому были предприняты поиски и разработки новых реагентов и их композиций для эффективной регенерации водозаборных скважин. С учетом термодинамики процессов растворения наряду с реагентами-нейтрализаторами была изучена группа реагентов-комплексообразовате-лей и восстановителей.
Потребности практики, особенно при организации работ в отдаленных районах, вызвали необходимость предложения порошкообразных реагентов, достаточно эффективных и удобных при транспортировании. При восстановлении дебита восстающих скважин систем осушения полезных ископаемых появилась необходимость в использовании газообразных реагентов, по которым также оказалось необходимым сформулировать новые предложения.
Группа импульсных методов включает способы восстановления дебита скважин, основанные на создании внутри фильтра и в призабойной зоне мгновенного перепада давления, что приводит к ударным нагрузкам разной интенсивности и созданию фильтрационных потоков переменного направления при значительных градиентах. Совокупное действие ударных фильтрационных сил оказывает разрушающий эффект на кольматант, цементирующий отверстия фильтров, и зернистые среды в призабойной зоне скважин.
Импульсное воздействие на скважины — один из широко распространенных методов регенерации. Это обусловливается простотой применяемого оборудования и ощутимым эффектом, достигаемым после относительно нетрудоемких работ. Для освоения и регенерации водозаборных скважин в настоящее время используются взрыв торпед из детонирующего шнура (ТДШ), электрогид-равлический удар, пневмовзрыв и имплозия. Близкое по характеру воздействие скважина испытывает при пульсирующей прокачке с помощью эрлифта, пусках-остановках погружных насосов, свабировании, гидравлических ударах в фильтрах, создаваемых сбрасыванием в него желонки или какого-либо другого груза, а также при создании взрывной смеси газов непосредственно на забое восстанавливаемой скважины.
Наиболее длительное время в практике отечественного водоснабжения (более 35 лет) для восстановления дебита скважин используется взрыв ТДШ. Эти работы были начаты по инициативе С. А. Ловли [18] и развивались во ВНИИГеофизике Э. М. Вольницкой, М. А. Шляйфертом [34]. Область применения взрыва ТДШ в скважинах исследовалась В. М. Гаврилко, В. М. Беляковым, Н. Д. Бессоновым, Е. Ю. Щеголевым.
Относительно широкое развитие получило применение элект-рогидравлического удара в скважинах на базе использования выпускаемых небольшими сериями установок. Создание электрогид-
262
равлцческого эффекта в скважинах было впервые реализовано трестом «Промбурвод» в соответствии с разработками. П. Н. Тор-ского и Н. И. Богданова, сделанными в Новочеркасском политехническом институте. Впоследствии такого же рода работы проводились В. А. Романенко и Ю. М. Рёвушкиным в ЛИСИ. Николаевским ОКБ электротехнологии проведены конструкторские проработки и организован выпуск небольшой серии установок для электрогидравлического удара (ЭГУ) в скважинах. Выпущенная Вильнюсским территориальным управлением водопровода и канализации установка для ЭГУ несколько отличается от вышеупомянутой. Пневмовзрывная обработка скважин, связанная с выхлопом в фильтре сжатого воздуха, была предложена В. А. Склянским в АзНИИ водных проблем.
Имплозионное воздействие в гидрогеологической практике используется в ограниченных масштабах в качестве сопутствующего процесса при опробовании пластов пластоиспытателями на пакере [23] путем создания разрежения в подпакерной зоне.
Разработка импульсно-реагентных методов регенерации скважин— следствие относительно малого извлечения кольматанта из прифильтровой зоны во многих случаях, особенно в длительно эксплуатировавшихся водозаборных сооружениях при неоднородной в разрезе прифильтровой зоне. Сочетание диспергирования кольматанта с интенсивным гидродинамическим воздействием в прифильтровой зоне скважины обеспечивает более эффективное извлечение кольматирующих образований. Различают три следующие разновидности импульсно-реагентных методов: сочетание реагентной обработки с одновременным импульсным воздействием, которое производится дискретно; реагенто-импульсное воздействие с импульсом небольшой интенсивности, но характеризующееся некоторыми частотными (вибрационными) параметрами (к этой группе методов относят виброреагентные низкочастотные способы, основанные на использовании механических вибраторов ВУР-2, ВУР-3); электровибрирование и реагентно-акустическое воздействие.
Интенсификация процесса растворения кольматирующих отложений и увеличение степени извлечения цементирующих отложений с фильтра и из прифильтровой зоны достигаются подогревом растворителя при реагентной или импульсно-реагентной обработке. Реализация термореагентной обработки обеспечивается использованием специальных подогревателей, введением в скважину веществ, обусловливающих интенсивный эндотермический эффект в процессе взаимодействия с растворителями, осуществлением импульсного воздействия в режиме, приводящем к тепловыделению.
Исследования и технологическое обоснование рассматриваемых методов осуществлены исходя из необходимости эффективной декольматации прифильтровой зоны в максимально короткий срок при достижении наибольшего эффекта в отношении извлечения кольматирующих образований.
263
§ 43. Технологические принципы восстановления дебита скважин
Технологию всех методов регенерации скважин определяет конечная цель — максимальное удаление кольматирующих отложений с поверхности фильтра и из порового пространства гравийной обсыпки (водоносных пород), т. е. достижение первоначальной насыщенности порового пространства. Применительно к разным методам эта задача решается различно. Однако в каждом случае имеются основополагающие моменты, касающиеся исходных параметров обработки, контроля ее хода с целью определения времени окончания и оценки восстановительных мероприятий.
Исходные данные каждого способа будут рассмотрены в специальных разделах. Отметим лишь, что для реагентных обработок в понятие исходных данных включаются вид применяемого реагента, его количество, концентрация, а при импульсных обработках— интенсивность воздействия, определяемая прочностью кольматанта и типом фильтра в скважине (его ремонтопригодность), а в случае самостоятельного использования вибрационного или ультразвукового воздействия также величина импульса и «го повторяемость (частотные характеристики). Контроль же хода обработки может быть универсальным для всех его видов, когда в качестве контролирующего параметра применяется коэф- • фициент фильтрации обрабатываемой зоны (сопротивление фильтра и прифильтровой области в заданном радиусе).
Наиболее рационально получение данных об изменении параметров призабойных зон в процессе обработки, т. е. получение рассматриваемых сведений по результатам гидродинамического возмущения, характерного для того или иного вида обработки. Так, при реагентной обработке способом создания ванны в каждом последующем цикле в расчет проницаемости могут быть взяты данные о характере снижения уровня после налива. При этом гидродинамическая схема опробования в данном случае соответствует экспресс-наливу.
В процессе циклического задавливания реагента за контур фильтра герметизированной скважины с последующим снятием давления также моделируется экспресс-налив, который может быть описан дифференциальным уравнением
д dS dS . ' .. л
-ч— г-ч— = -57- r0<Zr<oo / > 0;
dr dr dt ° ’
(¥11.4)
при краевых условиях
S(r, 0) = 0, S(0) = S, dS(oa,t)/dr = Q;
dS (t) __ 2stkmr0 dS (r0, t) dt rc2 dr ’
S(t) = S (r0, = d^t} . (VII.5)
264
Здесь го — радиус фильтра, гс — радиус ствола скважины (обсадных труб)', в пределах которого происходит изменение уровня; So — величина мгновенного понижения (повышения) уровня в скважине в момент времени /=0; £— обобщенное сопротивление скважины; k — коэффициент фильтрации; а — коэффициент пьезопроводности; т — мощность пласта.
Решение задачи получено Б. С. Шержуковым [33] и произведено табулирование в широком диапазоне k, т и комплексного .параметра, зависящего от £ и коэффициента водоотдачи ц. Использование эталонных кривых, связывающих S/So, t при разных ц, обеспечивает получение либо величины km весьма ограниченной зоны (но именно той зоны, в которой движется реагент), либо значения ц, которое связано с £ соотношением: ц=ц*е_£ (р,— коэффициент водоотдачи пласта, определяемый опытным путем).
Последовательная оценка в каждом цикле обработки величины водопроводимости или £ с прослеживанием стабилизации этих параметров является критерием окончания обработки. Правомерность такого подхода представляется достаточно обоснованной, однако для более определенного решения этого вопроса были проведены исследования с использованием контролируемых параметров.
Приведенные сведения касаются циклической обработки с попеременным задавливанием реагента за контур фильтра и прослег живанием восстановления уровня в скважине после снятия дав-ления. Опытные данные обрабатывались с использованием эталонных кривых. Одновременное прослеживание изменения коэффициента фильтрации при стандартной интенсивности задавливания столба жидкости в стволе скважины, восстановление уровня и концентрации растворенного железа (насыщенности соляной кислоты кольматантом) указывают на тесную связь этих параметров.. Следовательно, надежным контролирующим показателем может быть каждый из упомянутых, но наиболее легко определимым является время восстановления уровня при стандартных условиях возмущения скважины (интенсивность задавливания).
Надежным аналогом рассматриваемым параметрам при дискретном импульсном воздействии (взрыв ТДШ, электрогидроудар, пневмовзрыв, имплозия), который бы совмещался с процессом обработки, может быть количество шлама, образующегося в ходе обработки и собираемого в отстойнике фильтра или в специальном шламосборнике, опускаемом в скважину вместе с разрядником или пневмоснарядом. Рассматриваемый метод контроля за ходом обработки также является косвенным; благодаря ему фиксируется только та часть шлама, которая удаляется с внутренне» поверхности фильтра или из его отверстий. Часть же кольматанта, которая разрушается в прифильтровой области, а затем удаляется прокачкой в ходе обработки, не фиксируется. Для оценки эффективности регенерации необходимо экспресс-опробование ил» прокачка скважин, однако предпочтительнее совмещать опробова-
265
ние с прокачкой, проводимой для удаления разрушаемого кольматанта из прифильтровой зоны.
При импульсно-реагентных обработках скважин выделяются реагентные обработки при дискретном осуществлении импульсного воздействия и виброреагентные обработки. В первом случае ход обработки может контролироваться по изменению концентрации кольматирующих частиц в реагенте и изменению (уменьшению) его концентрации. Во втором появляется еще возможность совмещения технологической и контрольной операций. Экспериментально установлено, что максимальная амплитуда гидродинамического давления при вибрационном воздействии наблюдается в полностью закольматированном фильтре (в глухой трубе).
В процессе разрушения кольматанта и увеличения проницаемости фильтра и прифильтровой зоны амплитуда импульсов гидродинамического давления постепенно уменьшается, а при фиксированных параметрах источника вынужденных колебаний (рабочего органа вибратора) минимальное значение амплитуды соответствует моменту восстановления проницаемости фильтра и при-бфильтровой зоны. Эта идея послужила основой для разработки метода контроля хода вибрационной и виброреагентной обработок ‘(предложена совместно ВНИИВОДГЕО и ВНИИГС).
Таким образом, общие технологические принципы обработок, касающиеся их хода и критериев окончания, в большинстве случаев представляются достаточно ясными и в последующем будет рассмотрено применение этих параметров применительно к конкретным методам регенерации. Как следует из приведенного анализа, наиболее характерные показатели при оценке эффективности мероприятий по восстановлению дебита скважин — получение характеристик скважин, сопоставимых с характеристиками в момент их сооружения. Критериями сравнения могут быть приняты: пока-.затель обобщенного сопротивления фильтра и прифильтровой зоны, коэффициент фильтрации в зоне скважина — пьезометр, удельный дебит скважины при равном понижении уровня до и после восстановления дебита.
Сопоставление удельного дебита после обработки с первоначальным правомерно при неизменных граничных условиях в пределах водозабора (имеются в виду внешние граничные условия водоносного пласта и внутренние водозаборные сооружения). Степень декольматации фильтра по вертикали может оцениваться и путем расходометрии, однако в этом случае необходимы первичные данные о распределении водопритоков по высоте фильтра.
Для оценки эффективности восстановительных мероприятий на скважинах допустимо использование экспресс-методов опробования, экспресс-налива, экспресс-оттартовывания, возмущения способом подкачки газа с прослеживанием характера затухания колебаний при мгновенном снятии давления и др. [33].
-266
§ 44. Исследования кинетики процесса удаления кольматанта при реагентных и импульсно-реагентных методах регенерации
Основная задача регенерации скважин — извлечение кольматирующих образований из пористой среды водоносного пласта, гравийной обсыпки и с водоприемных элементов фильтра скважины. Эффективность технологического процесса определяется техническими средствами, а при реагентных методах — растворителями. Поэтому основное направление исследований связано с изучением кинетики декольматации фильтров и прифильтровых зон скважин, с подбором эффективных реагентов в зависимости от состава кольматанта и его физических характеристик, а также с разработкой технических средств и технологических приемов, обеспечивающих интенсификацию процессов декольматации.
В процессе кольматажа вследствие отложения труднорастворимых солей изменяется структура среды и, в частности, пористость, удельная поверхность и размер зерен фильтра. При обработке скважин химическими реагентами отложения, кольматирующие пористую среду, растворяются, и благодаря этому восстанавливаются размеры проходных отверстий фильтров и проницаемость прифильтровых зон.
Изучением процессов восстановления дебита скважин с использованием химических реагентов занимались как в СССР, так и за рубежом [4, 6, 41].
Н. Н. Веригиным и В. М. Беляковым процесс растворения был проанализирован с позиции равновесной кинетики, а именно было принято, что при контакте реагента с осадками последние мгновенно растворяются. В результате этого удельный объем отложений скачком снижается с No до М (где Ni — нерастворимая часть осадка), а концентрация солей в реагенте возрастает до Ст (где Ст — предельное насыщение реагента солями). В такой постановке процесс растворения кольматанта при непрерывной подаче реагента в скважину был описан уравнением
2л/грос (No— Д\) А- = QCm. (VII.6)
где I — длина фильтра скважины; рос— плотность кольматирующих отложений; Q — расход реагента.
Разделяя в уравнении (VII.6) переменные и интегрируя от Го до R(t) и от 0 до t, получим следующую формулу:
««=/<vn.7)
где —радиус кольцевой зоны вблизи скважины, в которой достигнута величина Л\; С — максимальная концентрация кольматанта в реагенте.
267
Если известен радиус зоны кольматажа, то из формулы (VII.7) несложно установить время окончания обработки
t == л ^°2 го2) W> — ^i) Р°с (VII 8)
QCm
(Ro— радиус зоны кольматажа).
Доза реагента, необходимая для полного извлечения кольматанта, определяется из выражения
W0 = QtOK. (VII.9)
Предположение о том, что скорость растворения кольматанта стремится к бесконечности, не получило экспериментального подтверждения. Опытами, проведенными во ВНИИВОДГЕО по растворению осадков, отобранных из скважин, установлено, что удельный объем отложений (кольматанта) уменьшается во времени и увеличивается концентрация солей в реагенте. Это наблюдается при исследовании различных реагентов. Вполне естественно ожидать, что при растворении кольматанта по мере уменьшения удельного объема отложений эти показатели также будут изменяться, стремясь достигнуть своих первоначальных значений.
Н. Н. Веригиным была сделана попытка учесть влияние изменения структуры среды на кинетику процесса растворения солей, содержащихся в пористых средах. Им было принято, что скорость растворения солей подчиняется законам диффузионной кинетики и может быть описана уравнением
Рос# = ~Р®(Ст~С), (VII. 10)
где w — удельная поверхность пористой среды; С — концентрация солей в реагенте; — коэффициент скорости растворения солей, определяемый из критериального уравнения
Nu = |/rPr-yrRe; Nu=fW/D; Pr=v/D; Re~vd/v.
Здесь Nu — критерий Нуссельта; Re — критерий Рейнольдса; Рг — критерий Прандтля; v — скорость продвижения реагента в порах пород; v — коэффициент кинематической вязкости; d— диаметр частиц; D — коэффициент диффузии.
Учитывая, что w и ip изменяются, Н. Н. Веригин, анализируя модели пористых сред, приходит к следующему уравнению кинетики:
Poc-J- —В(Ст—С)Ьг, (VII. 11)
где В—константа, зависящая от скорости движения жидкости и ряда физических параметров; z — показатель степени, принимающий значение 0 для поверхностного засоления грунтов и 0,5 для дисперсного засоления; b — насыщенность порового простран-, ства кольматантом.
268
Для каждого конкретного процесса, связанного с растворением вещества в реагенте, значения параметров Виг следует определять, в том числе и для различных методов регенерации скважин. Показано, что для реальных пород
Используя уравнение кинетики (VII.6), Н. Н. Веригин решил задачу о растворении и вымыве солей при фильтрации воды в грунтах. А. Е. Орадовской была проведена серия опытов по растворению солей CaSO4-2H2O в слоях песка и показана удовлетворительная сходимость опытных кривых с аналитическим решением задачи Н. Н. Веригина.
Г. А. Аксельрудом [2] было рассмотрено большое число задач о растворении и извлечении твердого вещества из пористых сред применительно к исследованию процесса подземного выщелачивания методом фильтрации кислот, щелочей и растворов солей. Особое внимание при этом было уделено разработке методов интенсификации процесса растворения за счет наложения полей колебаний, вызываемых механическим, звуковым и электрическим воздействиями.
Исследование кинетики растворения кольматанта в прифильтровой зоне скважин при различной технологии обработки
Извлечение кольматанта из прифильтровых зон скважин — сложный технологический процесс, кинетика которого зависит от множества факторов. Вместе с тем современное состояние теории растворения позволяет достаточно подробно представить себе физико-химическую картину извлечения осадков, отложившихся в прифильтровой зоне скважин, и на основе этого подойти к разработке технологии восстановления их производительности.
Известно, что в большинстве случаев процесс растворения солей металлов в водных растворах и кислотах протекает по диффузионному закону и, как правило, такие реакции являются необратимыми. В соответствии с этим уравнение кинетики растворения осадков можно записать в виде
^L=-E!L[Cm— С (/)]. dt Рос v '
(VII. 12)
Из уравнения (VII. 12) следует, что скорость растворения пропорциональна поверхности w, константе |0 и разности [Ст—С(0] и обратно пропорциональна плотности рос образовавшегося кольматанта. Таким образом, чем больше будут значения w, р и ДС=(Ст—С), тем интенсивнее будет протекать процесс растворения осадков, а с увеличением рос скорость растворения будет снижаться.
Величина ip определяет скорость подвода реагента к поверхности (или отвода продуктов реакции от поверхности в объем реагента) и зависит от условий, в. которых протекает процесс. Функциональная зависимость от внешних факторов может быть уста
269
новлена из критериальных уравнений, выведенных применительно к конкретным технологическим условиям процесса растворения. Остановимся на некоторых из них, представляющих интерес с точки зрения обработки скважин реагентами. Рассмотрим простейший случай, когда происходит растворение кольматанта, покрывающего тонким слоем частицу горной породы (песка или гравия). Предположим, что эта частица помещена в объем реагента и размер ее значительно меньше размера сосуда, в котором протекает процесс растворения.
В этом случае задача сводится к решению уравнения диффузии
г> д*(гС) д(гС) дг2 ” дг
(VII. 13)
при следующих краевых условиях <=0, С(г,0 = 0; г »• оо, С (г, t) = 0; r = r0, C(r,t) — Cv, (VII. 14) (VII. 15) (VII. 16)
где г о — радиус частицы; Ср— концентрация кольматанта, растворенного в реагенте на поверхности шарика.
Решение этой задачи имеет следующий вид:
С (г, t) = Ф* ( Y Г 2.УDI } где (VII. 17)
оо
2
Используя решение уравнения (VII. 16), найдем величину диффузионного потока растворенных солей от поверхности шарика в объем реагента
j=D^~ =(-5- + Ср. (VII.18)
. дг r=r0 V0 V ) р V '
Тогда, учитывая, что ]'=рСр, можно записать следующее равенство:
(VII.19)
Из выражения (VII. 19) следует, что в пределе при больших t (t—>оо) величина f}=2Z)/d (где d — диаметр шарика). Критериальное уравнение для этого случая имеет вид
Nu = pd/D = 2, (VII.20)
где Nu=i0d/Z)— критерий Нуссельта.
Эта схема с некоторым приближением соответствует условиям протекания процесса растворения кольматанта в прискважинной зоне по методу реагентной ванны, когда перемещение реагента относительно поверхности растворения не наблюдается. В этом случае величина |0 мала (так как коэффициент молекулярной диффузии имеет порядок 10~4—10~s см2/с) и, следовательно, процесс растворения кольматанта будет протекать очень медленно.
При циклическом задавливании реагента за контур скважины создается интенсивное перемешивание реагента и его продвижение через закольматированную пористую среду. В этом случае величина |0 возрастает. Для ее расчета в условиях движения реагента через закольматированные пористые среды можно использовать решение В. Г. Левича, полученное для сферической частицы, находящейся в потоке реагента, или полуэмпирическое уравнение Фрослинга
Nu = (0,76 н- 0,997) RemiPr«2, (VII.21>
где mb т2— показатели степени: по В. Г. Левичу mi = 1/2, m2=l/3, по Фрослингу mi=l/3, m2=l/3.
Карбери было установлено, что при небольших скоростях движения реагента mi = 1/2. По мере увеличения скорости за счет проявления турбулентности наблюдается отрыв пограничного слоя и показатель степени mi уменьшается до т 1 = 1/3.
Применительно к технологии обработки скважин по методу циклического задавливания реагента за контур можно принять,, что mi = 1/2, m2 = l/3 и из критериального уравнения (VII.21) вывести следующую зависимость для
₽ = A 5 А = (0,76 0,997) (£H/v)1/e, (VII.22>
где п — пористость закольматированных пород.
Из уравнения (VII.22) следует, что |0 возрастает пропорционально Tjv. Следовательно, с увеличением скорости притока реа- гента коэффициент 0 будет возрастать. Однако все это правомерно лишь в диапазоне iRe=0,24-400, когда mi = l/2. При Re>400 зависимость 10 от v изменяется (mi = 1/3 и 0 становится пропорциональным гА3)-
Механизм влияния колебательных процессов на растворение кольматанта отличается большой сложностью. Вместе с тем установлено, что наложение полей колебаний вызывает увеличение скорости обтекания поверхности растворения и, как следствие, рост константы 0.
А. А. Костиным, И. Н. Фиклистовым и Г. А. Аксельрудом [2] был детально изучен процесс растворения при воздействии низкочастотных механических колебаний, и в частности вибрационных колебаний. На основе обработки опытных данных ими установле-
271:
иа следующая зависимость:
Nu= 1,41 • KPRePr1'2, (VII.23)
где Re = vedlv — модифицированный критерий Рейнольдса; ve — локальная скорость пульсирующего потока.
На основании уравнения (VII.23) можно записать
0= 1,41 • IO’2 VD^ve, (VII.24)
откуда следует, что 0 пропорционален скорости пульсирующего потока ve = г?от] (где v0 — скорость пульсирующего потока у вибрирующего устройства; т] — коэффициент затухания колебаний).
Величина v0 может быть вычислена по уравнению [2]
по==АоУоР/30&, (VII.25)
где Ао — амплитуда колебаний; No — число колебаний в 1 мин; Р— отношение площади пластин вибратора к площади ствола скважины; е= (0,74-0,9) Р.
Таким образом, задаваясь значениями Ло и No, по уравнению (VII.25) можно рассчитать значение о0, а по уравнению (VII.24) оценить значение 0.
Вибрационное воздействие на прискважинную зону не только приводит к увеличению константы 0, но и вызывает разрушение и диспергацию кольматанта. За счет этого образуются микротрещины, в которые проникает реагент, и создаются благоприятные условия для растворения кольматанта. Кроме того, наложение низкочастотных вибрационных полей приводит к интенсивному перемещению реагента в прискважинной зоне.
Анализ различных способов возбуждения колебаний в жидкости и их использование в системе жидкость — твердое тело показывает, что весьма перспективным является применение высоковольтных разрядов. Исходя из этого, была разработана технология обработки скважин по методу электрогидроудара (ЭГУ) в реагенте.
Время, за которое происходит схлопывание каверны Т, определяется из уравнения
7=1,14pV4Ei/3 (Я/р)-5'6, (VII .26)
где Е — энергия искрового разряда; Н/р— величина заглубления разрядника под статический уровень; р —плотность воды.
В процессе формирования каверны, а затем ее сжатия происходит движение жидкости. Скорость движения жидкости изменяется в течение периода Т и составляет
»э= 0 при t/T = 0; £2/3 „ . (VII.27) pV2r2 (Я/р)1/6 ПРИ Ь
где г — радиус каверны.
272
Если число разрядов в секунду равно Np, то средняя скорость движения реагента [2]
v3 — ENp/(H/p) г2. (VII.28)
При этом коэффициент 0 определяется из уравнения
$=(D*lv)W$Jd)W. (VII.29)
Формулы, выражающие зависимость 0 от условий протекания процесса растворения, сведены в табл. 63.
ТАБЛИЦА 63
Зависимость коэффициента скорости растворения солей от метода обработки скважин
Метод проведения реагентной обработки скважин Уравнения для коэффициентов скорости растворения fl (в 1/с)
Реагентная ванна Циклическое задавливание реагента Виброреагентная обработка ЭГУ в реагенте ₽=2£»/d Р=Д1У(иДЬ); (0.764-0,997) (D4/v) У® ₽=A2ye; А2= l,41-10-2(D/v) № ₽=A3(r/d)1/2; А3= (D2/V) 1/2
При составлении уравнения кинетики растворения необходимо учитывать, что в процессе регенерации скважин изменяется структура пористой среды, и в частности удельная поверхность w, размер частиц d и пористость п. Используя результаты исследований изменения структуры пористой среды в процессе кольматажа, можно записать следующие выражения для п, w и d:
п~п0—b; w— kj0(1 4~ай)2/э; d—d0(l 4-аЬ)1/3, (VII.30)
где п0, w0 и do — соответственно пористость, удельная поверхность и размер частиц незакольматированной пористой среды; а—1/(1— п0).
Из уравнений (VII.30) следует, что кольматаж пористой среды приводит как бы к увеличению размера частиц и удельной поверхности. Однако это правомерно лишь при изменении удельного объема отложений в диапазоне от 0 до 0,5 п0. При дальнейшем увеличении удельного объема отложений w уменьшается. При кольматаже скважин величина Ь, как правило, не превыша