БЕСФИЛЬТРОВЫЕ СКВАЖИНЫ
Если ранее считалось, что при бурении скважин на воду оставлять незакрепленным эксплуатационный забой целесообразно только в устойчивых, скальных породах при наличии гидростатического напора, то начиная с 50-х годов все более широко входит в практику бурение так называемых бесфильтровых скважин в условиях, когда водоносный горизонт представлен песками или переслаиванием песков и скальных пород.
За последние 10 лет в нашей стране накоплен значительный °пыт бурения скважин без установки фильтров в рыхлых поро — Дах (бесфильтровые скважины). Опыт показывает, что такие скважины надежнее и долговечнее в эксплуатации по сравнению
с Фильтровыми.
^ Большая работа по разработке и внедрению технологии Прения бесфильтровых скважин проведена во ВНИИГиМ
31 в Союзглавсельхозводснабжении. Теоретическое обоснование бесфильтровых скважин дается в работах Г. В. Богомолова (1938 г.), В. М. Белякова (1969 г., 1974 г.), В. С. Оводова (1962 г.), И. М. Крышова (1970 г.) и др.
Одним из важнейших условий возможности сооружения бес- •фильтровых скважин является наличие достаточно прочной кровли над водоносными песками.
Технология сооружения бесфильтровых скважин проста, но
при выполнении работ необходимо строго соблюдать установ
|
ленный прядок проведения работ.
Процесс сооружения бесфильтровых скважин подразделяется на два этапа:
I)
|
Рис. 123. Схемы установки башмака эксплуатационной колонны бесфильтровых скважин в зависимости от механических свойств пород кровли: кровля представлена: I — известняками; II — неразмокаемыми породами; III — раз — мокаемыми породами |
бурение и крепление скважины трубами с цементированием затрубного про-
. странства: 2) создание водоприемной воронки.
При выполнении первого. этапа особое внимание необходимо обратить на установку башмака обсадных труб, положение которого должно строго соответствовать границе кровли водоносного горизонта (рис. 23,
II) . Заглубление башмака обсадных труб в водоносные пески более чем на 20—30 см приводит к длительному пескованию. Установка его выше кровли песков приводит к размыву пород или их обрушению, если в кровле залегают легкоразмываемые или набухающие породы.
. Если в кровле горизонта валегают устойчивые скальные породы, крепление можно выполнять, как показано на рис. 23, I. При наличии в кровле пород, склонных к обрушению у башмака обсадных труб, необходимо создавать цементную подушку (рис. 23, III). Для этого ствол скважины заглубляют в водоносный пласт и промывают для создания каверны; каверну можно создать откачкой. Затем скважину крепят обсадными трубами и цементируют. Для более прочной связи цементного камня и труб у башмака приваривают косынки или направляющие фонари.
Формирование каверны осуществляется путем углубки скважины в водоносных песках на 6—8 м и последующей откачки — эрлифтом. В начальный период откачки целесообразно доливать воду в скважину через устье или закачивать ее насосом по бурильным трубам, опущенным параллельно с воздухопроводными трубами эрлифта на глубину 2—3 м ниже башмака труб. Во избежание образования песчаных пробок откачка должна быть непрерывной. При уменьшении песка в воде до нескольких процентов долив воды прекращают и откачку продолжают с дебитом, в 1,5—2 раза превышающим эксплуатационный.
Откачку рекомендуют проводить при помощи двух компрессоров. В качестве водоподъемных труб обычно используют обсадные колонны диаметрами 168 и 219 мм, в качестве воздухопроводных труб — колонну бурильных труб. Последнюю в начале откачки используют для закачивания воды в скважину, а’затем поднимают на заданную глубину и подключают к компрессору. Вторую колонну воздухопроводных труб опускают параллельно первой на расчетную глубину. Откачку можно считать законченной, если количество песка в воде составляет Ь—2%. После этого необходимо смонтировать водоподъемное оборудование и произвести откачку, уменьшив дебит до проектного. ^Продолжительность откачки, как правило, составляет 5—10 сут, количество вынесенного песка — 15—50 м3.
Закономерности формирования водоприемных воронок (каверн) зависят от литологических особенностей водовмещающих пород и режима откачки. На рис. 24 показана схема, поясняю-
|
Рис, 24. Схема формирования водоприемной каверны бесфильтровой скважины: I — обсадная труба; 2 — кровля; 3 — водоносный песок; 4 — вихревой поток |
Щ. ая процесс формирования водоприемной воронки. По данным исследований, выполненных ВНИИГиМ [65], основной приток воды в каверне сосредоточен в* верхней периферийной ее части, вблизи кровли.
Струи воды, направленные концентрически к входному от- верстию обсадной трубы, сгущаются и вследствие ускорения и Резкого изменения направления движения образуют на участке Рождения в ствол скважины турбулентный поток с мощным
центральным вихрем во входном сечении обсадной трубы. Тур. булентный поток и центральный вихрь формируют воронку, глу. бина ее контролируется главным образом мощностью вихревого потока, которая пропорциональна величине водоотбора, а также диаметром частиц песка и входного отверстия обсадной трубы. Обсадная труба в период формирования воронки работает на всасывание. Обычно глубина воронки не превышает 1—1,5 м. В центре воронки иногда образуется местное возвышение в результате возникновения застойной зоны в центре потока ниже вихревого участка. В соответствии со схемой (рис. 24) размыв частиц начинается их радиальным движением к всасывающей трубе. Размыв и перенос частиц, таким образом, зависят от их размера, структуры и скорости радиально сходящегося потока воды.
Процесс формирования воронки по описанной выше схеме должен заканчиваться в короткий промежуток времени. Тем не менее вынос песка при откачке воды из скважины продолжается, как правило, несколько суток с медленным затуханием процесса. Это явление обусловлено локальным изменением соотношения горного и пластового давлений при откачке вследствие снижения уровня воды, который вызывает деформацию водоносных песков. В течение нескольких суток откачки, сопровождающейся деформацией песков в призабойной зоне, создается новое равновесное состояние в системе пласт — скважина, перемещение песков прекращается и размеры воронки стабилизируются.
Радиус водоприемной воронки может быть определен ориентировочно по объему вынесенного песка и глубине воронки. Форму воронки при этом следует принимать за конус.
Глубину воронки можно определить каверномером с применением так называемого «верхнего груза» или по формуле [65]
где Л — глубина воронки, см; йьх — диаметр входного отверстия водоприемной колонны труб или ствола в незакрепленной кровле, см; vвx — скорость воды в стволе, см/с; (150 — средний диаметр частиц песка водоносного горизонта, мм.
Условия, благоприятные для бурения бесфильтровых скважин, имеются в Брянской, Могилевской, Пензенской, Саратовской, Волгоградской, Чимкентской, Белгородской и других областях.
На территории Молдавии благоприятные для сооружения бесфильтровых скважин условия имеются лишь на отдельных участках -— главным образом в южной части республики. Водоносные пески среднесарматского возраста здесь в верхней части разреза замещаются известняками с прослоями мергелей и глин. Эти отложения при сооружении бесфильтровых скважин представляют собой устойчивую кровлю водоносных песков.
Мощность водоносных пород изменяется от 14 до 35 м прй глубине залегания 200—260 м. Гидростатический напор над кровлей 170—200 м, глубина статического уровня воды 30—85 м и более. При большей глубине статического уровня трудно обеспечить высокопроизводительную откачку, что зачастую лимитирует сооружение бесфильтровых скважин.
До последнего времени в южных районах Молдавии при помощи эрлифтных откачек спаренными компрессорами ПК-Ю удавалось создавать водоприемные каверны при глубине статического уровня до 85 м. Однако при этом компрессоры работают в ‘напряженном режиме и быстро выходят из строя, а производительность скважин остается незначительной, вследствие чего водоприемная каверна создается медленно и формирование ее не всегда достигает необходимых пределов.
Бурение бесфильтровых скважин на юге Молдавии начато в 1969 г. Первый опыт бурения таких скважин на некоторых участках не дал положительных результатов: несмотря на длительные откачки вода из скважин поступала с примесью песка и имела большую мутность. Дальнейшие работы показали, что это происходило из-за того, что при выборе конструкции скважин не учитывали литологические особенности водоносных пород.
При бурении бесфильтровых скважин вначале часть известняков не закрепляли трубами. Впоследствии обнаружилось, что водоносные известняки, кроме прослоев песков, содержат также прослои мергелей и глин, которые размываются в процессе откачки, что и обусловливает повышенную мутность воды. Кроме того, ствол скважины в интервалах, сложенных мергелями и глинами, со временем сужается, что влечет за собой прекращение доступа воды из пласта к водоприемной части скважины.
В зависимости от литологических особенностей водоносных пород на юге Молдавии можно выделить водоприемные каверны— многоярусные и одноярусные. На рис. 25 и 26 показаны размеры водоприемных каверн скважин по данным каверномет — рии, проведенной после откачки. На участках, где водоносный горизонт представлен переслаиванием известняков, песков и мергелей (см. рис. 26), вскрытая мощность водоносных пород достигает 8—20 м. Призабойная зона после откачки в этих условиях, очевидно, представляет собой многоярусную каверну.
Ввиду того, что водоносные породы здесь представлены известняками с прослоями мергелей и песков без четких переходов от скальных пород к рыхлым при откачках наблюдается Длительное пескование с незначительным количеством твердых примесей, а прозрачность воды при этом, как правило, не достигается. Это обусловлено непрерывным размывом мергелей и слабо сцементированных песков. Поэтому в таких условиях после создания водоприемной каверны необходимо засыпать гра-
|
Рис. 25. Многоярусная водоприемная каверна бесфильтровой скважины (по данным кавернометрии) |
|
Рис. 26. Одноярусная водоприемная каверна бесфильтровой скважины (по данным кавернометрии) |
вий на забой до полного прекращения пескования и осветления воды (досьгпка гравия чередуется с откачкой).
Характерно, что в этих условиях осветление воды и прекращение пескования достигается несмотря на то, что крупность засыпаемого гравия многократно превышает крупность водосодержащих песков. Объясняется это малой скоростью фильтрации воды в водоприемную воронку вследствие увеличения ее площади.
Быстрее происходит формирование одноярусной водоприемной каверны, когда водоносные пески имеют устойчивую кровлю, представленную карбонатными породами. Дебит таких скважин, как правило, больше, чем дебит скважин с многоярусными кавернами. Так на глубине 222—232 м из водоносного горизонта, представленного известняком с прослоями песков, мергелей и глин, был получен дебит 8 м3/ч при понижении уровня на 16 м.,При вскрытии песков на глубине 247— 248 м дебит составил 40 м3/ч при понижении уровня на 10 м. В первом случае количество песка в воде при пробной откачке составляло 5—10%, во втором —■ 20—30% • Глубину и форму водоприемной каверны определяют путем каверно — метрии. На рис. 25 показана одноярусная водоприемная каверна. Такие каверны, как правило, имеют небольшую глубину (не более 1 м), несмотря на то, что вскрытая при бурении мощность песков составляет 2—3 м и больше. Формирование каверны, осветление воды и прекращение пескования заканчиваются, как правило, после 5—7 сут откачки эрлифтом. Продолжительность откачки при формировании многоярусной водоприемной воронки — до 15 сут.
В табл. 8 приведены основные данные по бесфильтровым скважинам с различными типами водоприемных каверн.
|
Таблица 8
|
Для расчета притока воды в бесфильтрованную скважину Рекомендовано большое количество формул.
При использовании выражения для точечного стока в полусферическом пространстве и методов фильтрационных сопротивлений получена следующая формула, определяющая приток в°Ды к бесфильтрованной скважине [65]:
кш 3,3 /я "^пр *
—-дебит скважины; — водопроводимость; Н — радиус
■ВДяния; т—мощность водоносного пласта; тпр — приведенный
радиус полусферы, боковая поверхность которой эквивалентна боковой поверхности каверны,
0,71 hK „
ТПр — г-1—- г— > (Н-6)
у tg ф Sin ф
где ср — угол естественного откоса каверны; hK — глубина каверны, определяемая непосредственным замером.
В случае, если коэффициент гидродинамического несовершенства каверны a—hK/m<0,05, можно пользоваться известной формулой Форхгеймера:
S^-^— • (Ч-7)
К Тпр
Эти формулы могут быть использованы для определения коэффициента фильтрации пласта по данным откачки из бес — фильтровой скважины [65].
Длительная эксплуатация бесфильтровых скважин в Пензенской, Волгоградской и других областях показала, что дебиты их во времени не снижаются (за исключением случаев снижения уровня подземных вод) и обрушения кровли не наблюдались. Выход из строя таких скважин связан в основном с коррозией обсадных труб и снижением уровней воды.