Расчет и конструирование основных элементов скважины

Расчету водоприемной части скважин (фильтров) и подбору насосов первого подъема должны предшествовать конструирование скважин и взаимоувязка всех ее основных строительно-монтажных и эксплуатационных элементов с учетом выбранного способа бурения. Одним из самых важных элементов скважины является фильтр, предотвращающий вынос водоносной породы в эксплуатационную колонну и предохраняющий водоприемную часть ствола от разрушения.

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

• обеспечение проектного поступления воды в скважину при минимально возможных гидравлических сопротивлениях на весь расчетный период эксплуатации (не менее 25 лет) ;
• достаточная механическая и химическая прочность, включая периоды периодического импульсивного воздействия для разрушения кольматирующих отложений и регенерации водоприемной поверхности химическими реагентами;
• предотвращение попадания в эксплуатационную колонну частиц водосодержащей породы (продуктов солевых отложений и коррозии);
• удовлетворение санитарно-гигиеническим нормам для питьевого водоснабжения;
• ремонтопригодность и экономичность.

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

Конструкции фильтров водозаборных скважин

а - сетчатый; б - гравийно-обсыпный; в- гравийно-кожуховый; г - полимер-бетонный; д - с пенополистирольный обсыпной; е - зонтичный с плавающей обсыпкой.

Схема конструктивных размеров элементов водозаборной скважины

а - ударного бурения; б - роторного бурения: 1 - извлекаемая колонна обсадных труб; 2 - защитная колонна обсадных труб; 3 - эксплуатационная колонна обсадных труб; 4 - фильтрующая поверхность; 5 - отстойник с пробкой; 6 - надфильтровая труба; 7 - сальник; 8 - водоподъемник; 9 - водоподъемная труба; 10 - направляющая труба; 11 - цементация затрубного пространства.

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

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

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

По данным разработчиков, суммарное сопротивление £₂ характеризующее несовершенство скважин по характеру вскрытия водоносного пласта, в 12-14 раз ниже но сравнению с сетчатыми металлическими фильтрами. Такие фильтры значительно легче металлических, не поддаются электрохимическому зарастанию.

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

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

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

Благодаря своей плавучести она не «зависает» в затрубном пространстве, хорошо заполняет все каверны в прифильтровой зоне, химически стойкая, обеспечивает высокую пропускную способность из-за шаровидной и стекловидной поверхности. При заборе воды из тонкозернистых песков рекомендованы зонтичные фильтры, состоящие из трубчатого каркаса со щелевой перфорацией (длина щели 40 мм, ширима 2,0 мм) зонтиков с двухслойной обсыпкой общей толщиной до 60 мм. Угол зонтика принимают равным 15 - 20°.

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

l_ф=(0,5...0,8)m, м,

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

Диаметр фильтра (по водоприемной поверхности) определяется по формуле

Д_ф=Q_max/пl_фv_ф , м,

Q_max - максимальный расход воды, забираемой из скважины, м³/сут; v_ф - входная скорость фильтрации воды на границе пласт - водоприемная поверхность, м/сут.

Для дырчатых, щелевых, проволочных, сетчатых фильтров

v_ф = 65∛ К_ф

Для гравийных, зонтичных, блочных филтьтров

v_ф = 1000К_ф(d₅₀/Д₅₀)²

где d_50, Д₅₀ - соответственно 50%-ный диаметр частиц водоносной породы и зерен обсыпки фильтрующей колонны, мм.

В последние годы в Белоруссии успешно внедряются удовлетворяющие перечисленным выше требованиям кольцевые полимерные фильтры, изготовленные из термопластичных материалов (полипропилен и полиэтилен). Конструктивные параметры таких фильтров, изготовляемых путем набора на стальные стержни колец с продольными щелями клиновидного поперечного сечения, сужающихся в направлении внутрь фильтра, приведены в таблице.

Конструктивные размеры и характеристики фильтров ФПК

	Диаметры		Длина секции, мм	Ширина щели, мм			Осевые нагрузки, кг
Тип фильтров	наруж­ ный	внут­- рен­- ний			Масса, кг	Скважинность, %
ФПК-188	188	140	2035	1±0,2	31,8	20	40
ФПК-255	255	203	2035	1±0,2	44,4	20,5	60
ФПК-310	310	260	2035	1±0,2	55,3	21	80

Сравнительные характеристики фильтров ФПК по результатам нолевых исследований

Сква­- жина М	Удель­- ный дебит	Тип фильтра	Скваж­- ность л.%	Обобщенный показатель гид­равлического сопротивления	Темпы измене­- ния удельного дебита	Коэффициент «старения» (по Н.Д. Бессонову)
148	5,9	ФПК-188	20	-0,4	0,02	0,003
163	5,0	Каркасно­- стержневой	35	-0,3	0,08	0,05
175	7,3	Листоштам­пованные с отверстиями типа «мост»	12	-0,9	0,016	0,015
181	3,9	Тарельчатые ВСЕГИНГЕО	10	-0,5	0,3	0,01

Зависимость потерь напора на фильтре от расхода

1 - по данным эксперимента; 2 - расчетные.

Изменения удельных дебитов скважин в период 10-летней эксплуатации на скважинах Каменской оросительной системы

1 - фильтр ФПК-188; 2 - фильтр каркасно-стержневой; 3 - фильтр тарельчатый ВСЕГИНГЕО.

Бесфильтровые скважины устраивают в крупнозернистых и гравелистых водоносных песках, когда над водоносным шишом имеется мощный слой (не менее 10 м) глины. Для устройства бесфильтроной скважины под кровлей в водоносном пласте формируется водоприемная воронка.

Схема бесфильтровой скважины

S - глубина понижения статического уровня йоды; h- глубина водоприемной воронки; R - радиус водоприемной воронки; φ - угол естественного откоса водоносного песка; h_об - высота свода обрушения; а - угол внут­реннего трения грунта кровли; Z₃- отметка поверхности земли; Z_c- отметка статического уровня воды; Z_d- отметка динамического уровня воды.

Высота водоприемной воронки определяется из выражения

h=R_в*tgφ, м

Высота свода обрушения определяется по формуле

h_об=R_в/tga , м

где tga - угол внутреннего трения глинистого грунта кровли.

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

Более реальным путем повышения надежности эксплуатации безнапорных и слабонапорных водоносных пластов является применение скважин с гравийно-зонтичными фильтрами (ФУГЗ) уширенного контура, разработанных в ЦНИИКИВР (г. Минск) и показанных на рисунке.

Конструкция скважин с гравийно-зонтичными фильтрами

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

Допустимый дебит таких скважин

Q_доп=2,1V_допrβ

V_доп - допустимая скорость; β - коэффициент запаса (0,5-0,7); r - радиус водоприемной части ФУГЗ, см.

Толщина гравийной обсыпки принимается не менее 200 мм,

t₀=(5-10)Д₅₀

Диаметр бурения скважины

Д_б=2(r+t₀),

Определение глубин погружения водоприемной части t_n и гравийной обсыпки t_r, производится по монограмме, представленной на рисунке, в зависимости от соотношения коэффициентов обсыпки К_г и К_п и мощности водоносного пласта m.

Момограмма для определения глубин погружения водоприемной части и гравийной