Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

На основе изложенных выше основных закономерностей транспортировки твердых частиц в восходящем потоке воды рассмотрим формирование гравийно-обсыпных фильтров. Про­цесс этот подразделяется на три этапа: разделение фракции

песчано-гравийной смеси у устья скважины; транспортировка ее по кольцевому пространству в зоне фильтра; формирование структуры фильтра к призабойной зоне.

Фракции материала обсыпки разделяются непосредственно у устьевой части скважины и регулируются скоростью восхо­дящего потока. Движение частиц на участке разделения фрак­ций носит весьма сложный характер и схематически представ­ляется следующим образом. Первоначально поступая из воз­душной среды в жидкость, движущуюся со скоростью и, все частицы направляются вниз под действием сил тяжести и инерционных сил. Затем частицы, для которых действительно отношение иср -< ul, продолжают движение вниз со скоростью и—ut = us, а частицы, для которых действительно неравенство «ср > w", транспортируются вверх восходящим потоком. Различ­ная направленность движения частиц и сказывающиеся на участке разделения фракций инерционные силы усиливают тур­булентность потока, перемешивание частиц и эффект их стал­кивания. Кроме того, непрерывное поступление твердой фазы увеличивает скорость восходящего потока на этом участке в результате вытеснения ею воды. По этой причине, а также вследствие наличия градиента скоростей потока при заданной скорости восходящего потока выносятся также частицы, харак­теризующиеся и < и", причем с увеличением разности и—и, количество выносимых крупных фракций резко уменьшается.

Разделение фракций изучалось нами в полевых и лаборатор — ных условиях. Результаты наиболее характерных опытов при­ведены в табл. 12 и на рис. 35. Так как главная цель опыта —- сЫяснить, при каких скоростях восходящего потока частицы Какой крупности будут транспортироваться вверх, результаты Целесообразно выразить в виде отношения и*/иср.

В условиях свободного осаждения твердых частиц в воде ОСХОДЯЩИМ потоком должны выноситься только частицы, удовлетворяющие неравенству и*/исР<1.

По данным лабораторных опытов, проведенных автором при *’цср>4, твердые частицы восходящим потоком практически

80

Позиция на рис. 37	Интен­сивность загрузки ЛГ, г/с-см2	Скорость восходя­ щего потока иср* см/с	Диаметр частиц соответст­ вующий "ср-к*- см	Проба грунта для гранулометри­ческого анализа	Характеристика пробы
	^60	’1	^80
а	0,6	3,6	0.33	Исходная	0,10	0,50	5,0	0,35
				Вымытая	0,07	0,21	3,0	0,18
				Осажденная	0,33	2,20	6,6	1,8
б	0,66	1,0	0,12	То же	0,10	0,50	5,0	0,35
					0,056	0,15	2,7	0,13
					0,17	1,20	7,1	0,5
в	0,78	0,59	0,093	»	0,10	0,50	5,0	0,35
					0,063	0,15	2,4	0,12
					0,11	0,50	4,6	0,40
г	2,6	1,63	0,14	»	0,10	0,50	5,0	0,36
					0,07	0,21	3,0	0,18
					0,11	0,60	3,5	0,40

не выносятся (вынесенные фракции обычно составляют 1-—3%). Массовый вынос частиц наступает при и*/иср=1„5ч-4. Этот интервал соотношения скоростей представляет собой переход­ную область, для которой возможен перенос частиц одинакового диаметра как вверх под действием восходящего потока, так и вниз под действием гравитационных сил. Это хорошо видно на логарифмических кривых гранулометрического состава (рис. 35). Транспортировка восходящим потоком частиц, отве­чающих Отношению ц*/иср= 1,5-М, обусловлена влиянием стес­ненных условий осаждения. Кроме того, существенное влияние на этот процесс оказывают неравномерность распределения ско­ростей потока, изменчивость концентрации частиц и турбулент­ность потока.

Исходя из изложенного можно сказать, что в условиях стес­ненного осаждения частиц в восходящем потоке воды транспор­тироваться вверх должны частицы, для которых действительно неравенство

Ы* < (1.5 -5- 4)иср. (111.17)

Это неравенство приближенно, с достаточной для практиче­ских целей точностью, отражает процесс разделения фракций в восходящем потоке воды при концентрации частиц до 10%. Ми­нимальное значение коэффициента следует брать при малом количестве мелких фракций (< 0,25 мм) в исходном материале обсыпки, максимальные — при значительном их количестве (> 15—20%).

На рис. 35 показан гранулометрический состав исходного, осажденного и вымытого на поверхность песчано-гравийного Материала при различных скоростях восходящего потока воды и 8* , 115

различной интенсивности загрузки. Из приведенных кривых гранулометрического состава видно, что наиболее четко процесс разделения фракций происходит при малой интенсивности за­грузки. Увеличение интенсивности загрузки до 2,6 г/с-см2 уменьшает четкость разделения фракций и кривая грануломет­рического состава осажденного материала, как это видно из рис. 35, г, существенно не отличается от кривой для исходного материала обсыпки, в то время как при интенсивности за­грузки до 1 г/с — см2 (рис. 35, а, б) происходит более четкое разделение фракций. При одинаковой интенсивности загрузки разнозернистого материала разделение фракций зависит от скорости восходящего потока иср и гидравлической крупности частиц и*. Так, при использовании песчано-гравийного материа­ла одинакового гранулометрического состава и при одинаковой интенсивности загрузки (рис. 35, а—в) наиболее четкое разде­ление фракций наблюдалось при иср=3,6 см/с, в то время как при «Ср=0,59 см/с разделение фракций оказалось весьма несу­щественным.

Таким образом, наличие мелких фракций в исходном мате­риале обсыпки значительно ухудшает их разделение, и для предотвращения накопления их на участке, где происходит этот процесс, необходимо увеличивать скорость восходящего потока. Если же увеличивать скорость восходящего потока нецелесооб­разно с точки зрения обеспечения осаждения частиц заданного минимального диаметра, то необходимо уменьшить интенсив­ность загрузки материала обсыпки до такой степени, чтобы обеспечить равновесие между количеством поступающих и уда­ляемых частиц из зоны разделения фракций.

Исходя из лабораторных опытов и натурных наблюдений, для обеспечения нормального процесса разделения фракций при создании гравийно-обсыпных фильтров в мелких песках целесообразно интенсивность загруки материала обсыпки зада­вать не более 1—2 г/с-см2. Скорость восходящего потока с точ­ки зрения обеспечения достаточно четкого разделения фракций должна быть не менее 0,6 см/с; верхний предел может дости — гать 3—4 см/с при небольшой интенсивности загрузки. Увеличе­ние скорости восходящего потока приводит к выносу крупных частиц, необходимых для создания оптимальной структуры гравийно-обсыпного фильтра.

Так как разделение фракций в восходящем потоке пресле­дует цель улучшить гранулометрический состав материала обсыпки путем удаления из него мелких и глинистых фракции, режим этого процесса необходимо задавать, исходя из грануло­метрического состава водоносного песка и требований к мате­риалу обсыпки фильтра. Пусть средний диаметр водоносного песка £>5о=0,09 мм. Согласно табл. 5, минимальный диаметр материала обсыпки для такого песка равен: £>тт = 0,27 м*1- Гидравлическая крупность его и* = 3 см/с. Следовательно, из

материала обсыпки все частицы крупностью £>=^0,27 мм долж­ны быть удалены восходящим потоком воды.

Исходя из зависимости и*/иср=1,5-^-4, запишем:

м* = (1,5-*- 4)«ср. (III. 18)

Подставляя численное значение «*=3 см/с в уравнение (111.18), получаем для данного случая «ср=2-^0,75 см/с. При большом количестве мелких фракций в исходном материале обсыпки целесообразно взять минимальное значение иСр и ми­нимальную интенсивность загрузки, а при малом количестве мелких фракций — максимальные значения этих величин.

Из приведенных в табл. 12 данных, полученных из графиков на рис. 35, видно, что в результате выноса мелких фракций уве­личиваются £)50, Ао и т] осажденного материала, а следователь­но, и фильтрационная способность материала обсыпки.

Разделением фракций заканчиЬается первый этап формиро­вания гравийно-обсыпных фильтров. В дальнейшем при транс­портировке к зоне фильтра материал обсыпки претерпевает существенные изменения.

Рассмотрим, исходя из изложенных выше закономерностей* движение разнозернистого материала обсыпки от устья скважи­ны к зоне фильтра на глубину 200 мм при интенсивности за­грузки 1,2 г/с-см2 и скорости восходящего потока 0,8 см/с. Для удобства изложения материала воспользуемся математиче­ской моделью процесса транспортировки твердой компоненты в восходящем потоке воды, показанной в табл. 13.

В качестве исходных данных для расчетов используют: гра­нулометрический состав материала обсыпки, его гидравличе­скую характеристику и цнтенсивность загрузки. Расчеты ведут для каждой фракции частиц, выраженной в виде £>Ср в следую­щем порядке (см. табл. 13).

1. По данным анализа гранулометрйнеского состава песчано­гравийного материала подразделяем материал обсыпки на фракции.

2. Определяем средний диаметр каждой фракции по форму­ле (III.11).

3. Находим содержание частиц каждой фракции в процентах ПО Весу /=£] +^2 + ^3“(_ … ~Ь£п.

4. Исходя из заданной интенсивности загрузки матери­ала обсыпки на единицу площади кольцевого зазора, рав­ной 1,2 г/с — см2, определяем интенсивность загрузки в объемном выражении (плотность гравия принимаем равной 2,6).

5. Определяем гидравлическую крупность и* среднего диа­метра каждой фракции по табл. 9 или рис. 31.

6. Исходя из заданной скорости восходящего потока иср— ==0,8 см/с, по формуле (111.18) устанавливаем, частицам какой гидравлической крупности соответствует заданная скорость вос­ходящего потока для условий стесненного осаждения материала

Расчет транспортирования песчано-гравийного материала к призабойной зоне скважины при интенсивности загрузки N’ = 1,2 г/с х см2 С с ё. 1 Расчетные элементы Численное выражение расчетных элементов Вспомогательные расчет и пояснения 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 Диаметр частиц Г>, см 1—0,7 |Ю. О о 1 0,05— —0,3 0,3— —0,2 0,2— —0,1 0,1— —0,05 0,05— —0,025 0,025— —0,01 <0,01 2 Средний диаметр ОсР, см 0,85 0,6 1 0,4 0,25 1 0,15 1 0,075 0,037 0,012 0,005 3 Содержание частиц, % I — *4 + Н + • • + <-п 10,7 11,8 17,8 12,5 12,0 8,3 15,7 8,0 4,0 1 1 = 2 1 = 100% 1 4 Интенсивность загрузки N = Щ. + Щ + . • • + Щ 1 см3/с ■ см2 0,049 0,054 0,078 0,058 0,055 0,038 0,072 0,037 0,018 При интенсивности заг­рузки М’ 1,2 г/с-см2, у = 2,6 г/см3 1,2 N = =0,46 см3/с ■ см2 N1 п = 7оо"см3/с’см2 5 Гидравлическая крупность частиц и*, см/с 28,5′ 26,3 22,25 17,65 12,56 7,70 4,07 1,15 0,18 Из рис. 33 или табл. 11 6 и* = (1,5 — 4) иср 3«ср = 3 • 0,8, см/с (на поверхность вымываются частицы с и* < 3«ср < 2,4 см/с) 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 1 Иср=0,8 см/с Так как в исходном мате­риале обсыпки содержится 12% мелких фракций коэффициент необходимо

											брать близким к макси­мальному. Принимаем его равным 3
7	Относительная скорость дви­жения частиц на участке раз­деления фракций и^ = 3 м^р Му., см/с	—26,1	—23,9	— 19,85	—15,25	—10,16	-5,3	—1,65	+ 1,25	+2,22	Частицы с отрицательным знаком движутся вниз, с положительным—выносят­ся на поверхность и из дальнейших расчетов^ис- ключаются
8	Концентрация частиц на участке разделения фракций, % в — = пг/и5 • 100%	0,19	♦ 0,23	0,39	0,38	0,54	0,72	4,35 »	2,96	0,81	1 в’ = 2 * = 10’57% 1
9	Относительная скорость движения частиц после разде­ления фракций, см/с ~ исР	—27,7	—25,5	—21,45	— 16,85	— 11,76	-6,30	-3,25	—	—	«ср = 0,8 сМ/с
10	Концентрация частиц, доли единицы объема 1 г, 5 = 2>=2>/и«4 1 1	0,0018	0,0021	0,0036	0,0035	0,0047	0,0055	0,022	—	—	/ 8= ^ я,—0,0432=4,3% 1
11	Ие йср «*Л’	2250	1420	805	398	170	52′	13,5	—	—	V — — 0,0111 сма/с при Г = 16° С (табл. 11)
12	Ие	3,352	3,152	2,906	2,600	2,230	1,716	1,130	—	_ ►
13	1 1 — 0,2 1г Ие 1 0.33	0,37 1 0,40	0,48 | 0,55 | 0,66 I 0,77 [ —	—

С с g 1	Расчетные элементы	Численное выражение расчетных элементов	Вспомогательные расчет и пояснения
2	3	4	5	6 1 7	8	9	10	11	12
14	Л — 5 ( 1 — 0,2 lg Re)	1,65	1,85	2,00	2,40	2,70	3,30	3,80	—	—
15	(1 — s)’1 = 0,957«	0,930	0,922	0,914	0,900	0,888	0,853	0,846	—	—	1—5=1—0,0432=0,957
16	и» ‘ Ut (1 — S^U’ см/с	26,5	24,3	20,3	15,9	11,1	6,6	3,44	—	—
17	us — Ucp—В,", см/с	—25,7	-23,5	-19,5	—15,1	—10,3	—5,8	—2,64	—	—	иср = 0,8 см/с
18	Г = Z./us, с мин	780 13	870 14,5	1025 17,1	1325 22	1940 32,4	3450 57,5	7600 127	—	—	1 = 200 м
19	ДГ = Гг + 1 — Г„ с мин	90 1,5	155 2,6	300 5,0	615 10,4	1510 25,1	4150 69,0	—	—
20	Л7 щ 90-0,049 . ^1 — . — „ > СМ3 1— т 0,8	5,5	—	—	—	—	—	—	—	—	Пористость т = 0,2
21	2 v2 = at2 2 «г Я1 -«) = 1 = 155 (0,049 +0,054)/0,8= = 155 • 0,103/0,8, смз	—	20	—	—	—	—	—	—	—	Каждая цифра пунктов 20 — 25 и 27 — 32 обозна­чает объем скважины, за­полненный песчано-гра — вийным материалом фрак­ций, учтенных расчетными формулами, выраженный в сантиметрах длины ствола
22	3 V3 = AT3 2 «»7(1 — т) = 1′ = 300 (оо49 + 0,054 + + 0,078)/0,8 = =300 • О,&/ 0,3, см»	1	—	68	—	—	—			/

23	У4 = АТ4%ъ/(1-т) = = 615 (о! о49 + 0,054 + + 0,078 + 0,058)/0,8 = = 615 • 0,239/0,8, см3	—	—	—	184	—	—	—	—	—
24 ч	5 ^5 = АГ6 2 «г/(!-т) = = 1510 (0,049 +0,054 + + 0,078 + 0,058 + + 0,055) /0,8 = 1510 х X 0,294/0,8, см3	—	—	—	—	557	—			—
25	6 У<5 = ДГе2>г(1-‘я) = = 4150 (0,049 + 0,054 + + 0,078 + 0,058 + 0,055 + + 0,038)/0,8 = 4150 х X 0,332/0,8, см^						1725
26	Заполненный объем скважи­ны по длине (в см, начиная от забоя)	5,5	25,5	93,5	277,5	834,5	2559,5
27 м	7 АТг 2 п1 0 ~т) = = 90 ( 0,054 + 0,078 + +.0,058 + 0,038 + +0,072)/0,8 = 90 X X 0,355/0,8, см®		40	1

обсыпки. Принимая в нашем примере по­правочный коэффициент, равный 3, опре­деляем, что на поверхность будут вымы­ваться частицы с гидравлической круп­ностью менее 2,4 см/с.

7. Вычитая значение (п. 6) из (п. 5), получаем относительную скорость дви­жения частиц на участке разделения фракций и[. Она всегда будет меньше, чем относительная скорость за предела­ми этого участка, что обусловлено более высокой концентрацией частиц на участ­ке разделения фракций и увеличением скорости восходящего потока вследствие вытеснения воды песчано-гравийным ма­териалом.

8. Воспользовавшись уравнением (111.15), определим объемную концентра­цию частиц на участке разделения фрак­ций 5′.

9. Для »дальнейших расчетов скорости движения твердых частиц в стесненных условиях необходимо знать их концен­трацию после разделения фракций. Од­нако, как было показано выше, скорость движения частиц и их концентрация — величины взаимозависимые, поэтому ра­счетным путем получить значение 5 труд­но. Чтобы воспользоваться уравнением (Н1-7) для определения и„ . необходи­мо знать значение 5. С достаточной для практических целей точностью значение 5 можно определить, вычислив относи­тельную скорость движения частиц ие как разницу иср—и* по формуле (111.13), а затем вычислить 5.

Однако определять значение в таким способом можно только при малых его значениях (до 10%)- При увеличении концентрации твердых частиц ошибка в сторону завышения истинной концентра­ции будет резко возрастать.

10. Получив’ на основе предыдущих расчетов относительную скорость движе­ния частиц и. в, можно вычислить важную для дальнейших расчетов величину кон­центрации частиц 5 по формуле (111.15).

И—16. На основе зависимостей

(II.7) и (Ш.8) определяем скорость стесненного осаждения частиц.

17. Уточняем относительную скорость движения частиц В. восходящем потоке воды по формуле (111.13).

18. Имея данные об относительной скорости движения ча­стиц каждой фракции и о длине пути транспортирования Ь, вычисляем время Т, необходимое для движения частиц от устья к забою.

19. Находим интервал времени отстаивания осаждения бо­лее мелких фракций по отношению к более крупным А Т. Из по­лученных расчетов видно, что наиболее крупные частицы (Ьср=8,5 мм) достигнут глубины 200 м через 13 мин после начала обсыпки, а наиболее мелкие (/)Ср=0,37 мм) — через 127 мин.

20—33. При условии непрерывной равномерной обсыпки в рассматриваемом примере процесс накопления его в призабой­ной зоне представляется следующим образом. Сначала на забое осаждаются только крупные частицы (7) = 10ч-7 мм). Через 1,5 мин начинают осаждаться частицы с £)=7ч-5 мм. Частицы с £» = 5-^-3 мм начинают осаждаться с опозданием на 2,6 мин по отношению к частицам с £> = 7Ч-5 мм и т. д. Зная эти интерва­лы времени и интенсивность загрузки частиц каждого диамет­ра, можно вычислить объемное количество поступающих на за­бой частиц, сгруппировав их с учетом интервалов отставания мелких частиц по отношению к крупным.

Объемное количество осажденных на забой частиц пропор­ционально. продолжительности осаждения и интенсивности за­грузки. Для случая, когда площадь поперечного сечения кольце­вого зазора по всей длине ствола скважины остается постоян­ной, расчеты проводят по формуле

V/ = Л7- ^ п|/( 1 —т)> (ШЛ9>

1

где Мг — объем скважины, заполненный песчано-гравийным ма’ териалом фракций £ь 11+12, 1*1-Иг-Из и т. д., см длины ствола, Д Т{ — продолжительность осаждения фракций ц, 1’ 1*1-Иг-Из и т. д., с; п{ — интенсивность загрузки частиц каЖДоГ учитываемого диаметра, см3/с-см2; от— пористость материал обсыпки.

Пористость материала обсыпки зависит от его полидиспер ности [40] и может быть определена по графику на рис. 36, г по оси абцисс отложен коэффициент неоднородности грунта Хазену.

Если площадь кольцевого зазора на участке накопления 1 териала обсыпки отличается от площади кольцевого зазор3

участке его транспортировки, расчетная формула (111.19) при­мет вид

I

Уг = АТI ^ Ъ /у^2 (1 —т), (111.20)

1

где и — соответственно площади поперечного сечения кольцевого зазора на участке транспортировки и на участке накопления материала обсыпки.

т Рис. 36. Зависимость пористости песчано-гравийного материала от коэффи­циента неоднородности

Расчеты по формуле (111.19) приведены в пунктах 20—24 (табл. 13). Просуммировав значения Уг для каждого размера частиц (п. 26), получим длину расслоенного интервала V для начального периода осаждения:

I/ = 2 (ПШ)

1

Выше этого интервала длины ствола в скважине будет на­капливаться нерасслоенный материал обсыпки.

Расслоение в верхней части интервала обсыпки (начиная с Момента прекращения обсыпки) вычисляют аналогично, не учи­тывая в расчетах фракций частиц, осаждение которых завер­шено. Расчеты приведены в пунктах 27—33 (табл. 13).

Чтобы показать, как на расслоение влияет интенсивность загрузки, рассчитаем транспортирование песчано-гравийного Материала при тех же условиях, но при меньшей интенсивности Сгрузки (0,8 г/с •см2); результаты расчетов для обоих случаев Изображены графически на рис. 37. Слева на рисунке в виде колонок показаны интервалы осаждения каждой фракции ма — еРиала обсыпки, а справа — логарифмические кривые грану­лометрического состава каждого интервала. Из табл. 13 и ^ с — 37 видно, что расслоение материала обсыпки имеет место начальный период обсыпки до момента начала осаждения на

Рис. 37. Изменение характеристики (расслоение) материала обсыпки длине фильтра в начальный и завершающий периоды осаждения

забой фракций минимальных диаметров материала обсыпки. При этом снизу вверх по стволу скважины уменьшаются одно­родность и средний диаметр частиц.

В дальнейшем происходит осаждение материала обсыпки, гранулометрический состав которого существенно не отличается от исходного песчано-гравийного материала. В завершающий период обсыпки расслоение будет происходить, начиная с мо­мента прекращения осаждения крупных частиц, и будет про­должаться на протяжении всего периода запаздывания осажде­ния мелких частиц по отношению к крупным. При этом снизу вверх будут увеличиваться однородность и уменьшаться сред­ний диаметр частиц материала обсыпки. Следовательно, если при заданных интенсивности загрузки и длине пути транспорти­ровки материала продолжительность обсыпки будет равна или меньше времени отставания минимальных по крупности частиц от максимальных, осажденный материал обсыпки будет харак­теризоваться постепенным уменьшением крупности частиц сни­зу вверх. Осажденный материал обсыпки, равный по крупно­сти исходному, в этом случае будет только в точке перехода от более крупных к менее крупным частицам по отношению к ис­ходным. Чем больше продолжительность обсыпки будет превы­шать время отстаивания осаждения мелких частиц по отноше­нию к крупным, тем больше будет. интервал, в котором осаж­денный материал равен по крупности исходному.

Из расчета видно, что увеличение интенсивности загрузки материала обсыпки приводит к уменьшению скорости его дви­жения, вследствие чего увеличивается время движения частиц и их расслоение. Так, в рассматриваемых примерах при N’=1,2 г/с-см2 интервалы расслоения материала обсыпки в на­чальный и завершающий периоды осаждения оказались равны­ми соответственно 25,6 и 12,4 м, а при ^’ = 0,8 г/с-см2 — 16,1 и 5,6 м. При длине фильтра 40 м нерасслоенный интервал в первом случае составил 2,5 м, во втором — 18,5 м (рис. 38). Сравнив логарифмические кривые гранулометрического состава материала обсыпки на различных участках расслоения (см. рис. 37) с рекомендуемыми составами обсыпок (см. табл. 5 и. рис. 8, а—в), можно определить, в каком интервале необходи­мо установить фильтр и какой длины должен быть отстойник, перекрывающий наиболее расслоенный интервал обсыпки.

Так, для водоносных песков (см. рис. 8, б и табл. 5, п. 2) наиболее благоприятными интервалами обсыпки являются 5- и 6-й (на рис. 37 цифрами в кружках обозначены переходные интервалы от крупных к мелким фракциям). Следовательно, при. N’=1,2 г/с-см2 длина отстойника может быть равна 2,8 м, а при N’ = 0,8 г/с-см2 — 2,0 м. Соответственно выше этих ин­тервалов можно установить фильтр. На рис. 38 показано изме­нение £>50 по длине фильтра при’]У’=1,2 и 0,8 г/с-см2 (длина пути транспортировки равна 200 м).

Из приведенных выше расчетов видно, что на расслоение материала обсыпки влияет длина пути его транспортирования. Поэтому в целях уменьшения расслоения при большой длине пути транспортировки интенсивность загрузки материала обсып­ки должна быть минимальной.

Ь(р Рис. 38. График изменения среднего диаметра частиц (С50) по длине филь­тра (/.ф) при транспортировке мате­риала обсыпки в восходящем потоке воды: J — N’=1,2 г/с-см2; 2— N’=0,8 г/с-см2; АВ=2,5 м, И,£,=18,5 м

По приведенной в табл. 13 расчетной схеме можно рас­считать расслоение материала обсыпки при транспортировке — его на заданную глубину в вос­ходящем потоке воды, а также при гравитационном осажде­нии его в стоячей воде или в нисходящем. потоке воды.

Расчеты, проведенные по рассмотренной выше схеме для случаев гравитационного осаж­дения в стоячей воде и в ни­сходящем потоке, показывают, что длина нижнего расслоен­ного интервала уменьшается по отношению к случаю восхо­дящего потока, равного

0, 8 см/с, следующим образом: в стоячей воде — в 1,4 раза, в нисходящем потоке, равном 1 см, — в 1,8 раза и 10 см — в 7 раз. Однако, если в исходном материале содержится боль­шое количество мелких фрак­ций (менее 0,2 мм), вымывае­мых восходящим потоком, дли­на расслоенного интервала при транспортировке материала обсыпки в нисходящем потоке может даже увеличиться, а создаваемый гравийно-обсып­ной фильтр при этом загрязня­ется мелким песком.

Расчеты действительны прн малых концентрациях дисперс­ной фазы.

Таким образом, при транс­портировке материала обсыпки от устья скважины к призабой­ной зоне расслоение его наблюдается только в начальный и за­вершающий периоды осаждения. Длина расслоенных интервалов при осаждении в восходящем потоке воды выражается в обще!’1 виде следующей зависимостью:

Гр ■ / Т], Г, Б, £/),

(111.22)

где Гр — длина расслоенного интервала; и* — скорость свобод­ного осаждения частиц в воде; т] — степень неоднородности материала обсыпки; Г — длина пути транспортирования; в — концентрация твердых частиц в воде; и — скорость восходяще­го потока воды.

Для случая гравитационного осаждения в неподвижной воде выражение имеет вид

(111.23)

Гр — f {11%) т]» Г, 5).

Степень расслоения можно выразить количественно как от­ношение Ао и т] осажденного материала к £>50 и т] исходного материала обсыпки. Степень расслоения по длине фильтра из­меняется следующим образом. В начальной точке расслоения нижнего интервала осаждаются максимальные по крупности частицы исходного материала с большой степенью однородности по гранулометрическому составу. Вверх по длине фильтра О50 уменьшается, а г] увеличивается, достигая в определенной точ­ке характеристики исходного материала. В — верхнем расслоен­ном интервале снизу вверх уменьшается достигая в верхней точке размера частиц, минимальных по крупности; коэффици­ент неоднородности также уменьшается, достигая минимального значения в верхней точке. Нижний расслоенный интервал ха­рактеризуется А;оос>А;оисх, верхний — £>50 ос<Аю исх-

Как видно из зависимостей (III.7) и (III.8), с увеличением концентрации частиц скорость стесненного осаждения быстро уменьшается. При этом для более мелких частиц влияние кон­центрации на скорость осаждения сказывается в большей сте­пени, чем для крупных. Поэтому для предотвращения создания большой концентрации частиц целесообразно интенсивность за­грузки поддерживать на уровне не более 1,2 г/с-см2. Значение 5 при этом не будет превышать 10%. Увеличение интенсивно­сти загрузки приводит к накапливанию на отдельных участках кольцевого пространства частиц, скорость осаждения которых близка к скорости восходящего потока воды. Это в свою оче­редь ведет к затормаживанию движения более крупных частиц и созданию пробок. Уменьшение интенсивности загрузки по сравнению с рекомендуемыми величинами положительно влия­ет на процесс разделения фракций и создания качественного фильтра, однако при этом продолжительность работ по обсыпке будет значительно удлинена, что нецелесообразно по технико — экономическим соображениям.

На основе изложенных выше закономерностей движения песчано-гравийного материала в воде можно дать следующие Рекомендации по созданию гравийно-обсыпных фильтров.

1. При сооружении скважин глубиной До 300—350 м с гра — вийно-обсыпными фильтрами для уменьшения расслоения пес­чано-гравийный материал необходимо засыпать в кольцевое
пространство между стенками скважины и обсадных труб рав­номерно, без перерывов, с интенсивностью 0,6—0,8 г/с на 1 см2 площади кольцевого зазора.

В случаях применения чистого фракционированного матери­ала обсыпку можно осуществлять в нисходящем потоке ВОДЫ или путем гравитационного осаждения в неподвижной воде.

При использовании загрязненного глинистыми частицами-и мелкими фракциями материала обсыпки транспортировку его целесообразно осуществлять в слабом восходящем потоке воды. Скорость восходящего потока 0,4—0,8 см/с обеспечивает вымы­вание частиц размером 0,2—0,3 мм.

2. При создании гравийно-обсыпных фильтров на глубинах более 350—400 м материал обсыпки целесообразно транспорти­ровать к призабойной зоне в нисходящем потоке воды, приме­няя при этом качественный фракционированный материал. Ско­рость нисходящего потока должна быть не менее 10—15 см/с и должна повышаться с увеличением глубины. В целях предот­вращения создания гравийных пробок в кольцевом зазоре за­грузка материала обсыпки должна быть в пределах 0,8—2 г/с на 1 см2 площади кольцевого зазора.

3. При сооружении неглубоких скважин большого диаметра с большой площадью кольцевого зазора, чтобы уменьшить рас­слоение, — песчано-гравийный материал целесообразно засыпать с максимально возможной интенсивностью.

На практике, как правило, объем песчано-гравийной смеси, равный 18 м3, засыпают в скважину глубиной до 200—350 м за 5—6 ч. Кольцевой зазор при этом составляет 120—140 мм.

Рассматривая движение частиц в кольцевом пространстве между стенками скважины и обсадными трубами, мы допуска­ем, что стенки скважины непроницаемы и гидравлический по­ток не имеет фильтрационных потерь жидкости в стволе сква­жины. В интервалах залегания водоносного горизонта и уста­новки фильтра такое допущение сделать нельзя, так как части­цы здесь осаждаются в условиях проницаемости как наружных, так и внутренних стенок кольцевого пространства. Поэтому восходящий поток воды в этом интервале носит более сложный характер по сравнению с кольцевым пространством с непрони­цаемыми контурами.

Изучение его имеет важное значение, так как в этом интер­вале завершается процесс формирования структуры песчано­гравийного фильтра под воздействием потока воды.

Процесс формирования структуры гравийно-обсыпного филь­тра в кольцевом пространстве изучали на модели, состоящей из системы стеклянных сосудов и имитирующей скважину в мо­мент гравийной обсыпки.

Линейные размеры модели следующие: диаметр наружного сосуда 200 мм, внутреннего 44 мм; площадь кольцевого зазо­ра для засыпки гравия 224 см2; фильтровое покрытие из сет-

Рис. 39. Формирование структуры гравийно-обсыпного фильтра в восходя­щем потоке воды:

/ — фильтровый каркас; 2 — стенки скважины; 3 — зафильтровое пространство; 4 — направление движения воды в процессе осаждения гравия; 5 — внутренний контур обсыпки; 6 — средний контур обсыпки; 7 — наружный контур обсыпки; 8 — участки максимальной крупности частиц

ки квадратного плетения; высота модели 50 см. Движение жид­кости изучали с помощью красящего вещества. После заверше­ния обсыпки на различных участках сформировавшегося фильт­ра отбирали образцы на гранулометрический анализ.

Проведенные опыты показывают, что фильтрационный поток на участке формирования гравийного фильтра распределяется

следующим образом • (рис. 39). В кольцевом простран­стве, заполненном песуано — гравийным материалом, в интервале расположения от­стойника поток направлен вверх. Достигая нижней час­ти фильтра, он веерообразно в вертикальном направле­нии и концентрически в пла­не направляется через фильтрующую поверхность внутрь фильтровой трубы и выходит из нее снова в кольцевое пространство только на участке, не запол­ненном песчано-гравийным материалом. Гидродинами­ческий поток, направленный радиально от оси скважины к ее стенкам в интервале создания гравийного фильт­ра, существенно влияет на формирование его структу­ры. При этом мелкие фрак­ции осаждаются на наруж­ном контуре обсыпки, а крупные — на внутреннем, примыкающем непосредст­венно к поверхности фильт­рового каркаса.

На рис. 40 и в табл. 14 показаны основные резуль­таты одного из опытов, вы­полненного при скорости восходящего потока 0,64 см/с и интенсивности загрузки 0,72 г/с-см2, т. е. в услови­ях, отвечающих натурным. Как видно из* приведенных данных, при создании гравийно-обсыпного фильтра в восходя­щем потоке воды на внутреннем его контуре осаждаются более крупные частицы, чем на наружном его контуре. Соответственно

увеличивается фильтрационная способность материала обсыпки радиально от наружных к внутренним станкам кольцевого про­странства. Таким образом, в призабойной зоне формируется фильтр, напоминающий по структуре многослойный песчано-гра­вийный фильтр, но отличающийся более плавным переходом от крупных к мелким фракциям. При прочих равных условиях чем выше скорость потока воды, тем более четко происходит пере­распределение осаждающих частиц по диаметрам в призабойной зоне. Соответственно с увеличением интенсивности загрузки и крупности материала обсыпки для достижения эффекта пере­распределения осаждающихся частиц необходимо увеличивать скорость-потока.

Таблица 14

№ образца		Коэффициент неоднород­ ности	Пористость, %	/,’;1 обсыпки, м/сут
Исходный образец	0,46	4,1	41	85,0
1а	0,46	4, 1	36	70,5
16	0,48	5,0	40	123,8
1е	0,76	5,2	37	122,4
2 а	0„45	3,0	36	83,3
2 б	0,56	4,0	35	94,4
2в	0,58	4,0	36	108,3
За	0,45	3,3	36	73,6
36	0,55	3,6	36	103,8
Зе	0,55	3,1	38	120,4
4 а	0,48	2,3	40	118,3
4в	0,66	3,9	36	133,4
5 а	0,52	3,1	38	135,5
бв	3,3	10,5	35	579,7
6 а	0,7	3,9	40	198,4
6в	1,05	6,1	35	194,1

Несколько отличается от описанной выше структура фильт­ра в нижней его части на участке вхождения потока воды в фильтр. Ввиду больших скоростей потока внутренний контур обсыпки состоит из наиболее крупных частиц. Здесь создается наиболее рыхло сложенная структура фильтра. Наружный кон­тур, затронутый потоком воды в меньшей степени, характери­зуется меньшей крупностью частиц по сравнению с внутренним Контуром. В верхней части фильтра и над фильтром создается структура обратного фильтра вертикального направления, как показано на рис. 39.

В лабораторных условиях при скорости восходящего потока 0,58—0,64 см/с и интенсивности загрузки 0,94—0,72 г/с • см2 в различных сечениях модели увеличение £>50 в направлении от наружного к внутреннему контуру обсыпки составляло 10— 60%, а увеличение £ф — 13—75%- Уменьшение скорости потока до 0,35 см практически сводит на нет эффект перераспределе­ния осаждающихся частиц. Рекомендуемые выше скорости вос­ходящего потока воды 0,6—2 см/с и интенсивность загрузки ма­териала обсыпки от 0,6 до 1—2 г/с-см2 обеспечивают перерас­пределение частиц и изменение £ф гравийно-обсыпного фильтра в радиальном направлении от оси скважины. Кроме того, поток воды предотвращает засорение щелей фильтрового каркаса мелкими фракциями материала обсыпки.

Так как гидродинамический поток имеет направление, про­тивоположное направлению гравитационных сил, под действием которых происходит осаждение частиц, материал обсыпки име­ет рыхлую, неуплотненную, структуру.

Таким образом, восходящий поток воды в кольцевом про­странстве при бурении скважин с гравийно-обсыпными фильт­рами, создаваемыми на забое, позволяет:

1) осуществлять систематическую очистку скважин от пес­чаных и глинистых частиц, оплывающих с ее стенок и накап­ливающихся в нижней части ствола в период от вскрытия пла­ста до завершения создания фильтра;

2) удалять эмульсию, образующуюся в кольцевом простран­стве при промывке песчано-гравийной смеси и увеличивающую вязкость, плотность и другие показатели жидкости, отрицатель­но влияющие на процесс осаждения материала обсыпки;

3) предотвращать зависание материала обсыпки и создание пробок в кольцевом пространстве;

4) предохранять стенки скважины от оплывания и обвалов вследствие давления, создаваемого гидродинамическим потоком;

5) очищать песчано-гравийную смесь от мелких фракций и глинистых частиц путем разделения фракций;

6) создавать совершенную структуру песчано-гравийного фильтра с уменьшением крупности частиц радиально от стенок фильтровой трубы к стенкам скважины.

Комментарии запрещены.