ГРАВИЙНАЯ ОБСЫПКА
Для обеспечения нормальной работы фильтров в зарубежной практике бурения скважин на воду широко применяют гравийную засыпку кольцевого пространства между фильтром и водовмещающей породой. В ЧССР фильтр обсыпают гравием или гранитным щебнем даже в случаях, когда водоносные породы представлены известняками или песчаниками. Межтрубное пространство выше фильтра при этом тампонируют глиной. Во Франции при сооружении скважин на воду в рыхлых отложениях в обязательном порядке применяют гравийную обсыпку. При бурении скважин большого диаметра грейферным способом вокруг фильтрового каркаса создают двух-трехслойную обсыпку с помощью двух обсадных колонн, в кольцевые зазоры которых засыпают гравий различного диаметра. Первый слой формируют на поверхности вместе с фильтровым каркасом. Гравий удерживается вокруг каркаса фильтра с помощью синтетической пленки, растворяющейся в соляной кислоте после установки фильтра в скважине.
При роторном способе бурения с использованием труб большого диаметра с обратной промывкой водой гравийную обсыпку создают путем транспортировки ее в призабойную зону потоком обратной циркуляции или свободным осаждением при загрузке материала обсыпки вручную. При этом рекомендуется засыпать гравий мелкими порциями во избежание обвалов стенок скважины.
При роторном бурении с прямой промывкой глинистым или другим раствором сначала тщательно очищают ствол от раствора и шлама промывкой водой. При бурении скважин на водоносные горизонты в средне — и крупнозернистых песках применяют обсыпку гравием с толщиной слоя обсыпки 60—80 мм. В тонкозернистых, мелких и пылеватых песках каптаж проводят при двухслойной обсыпке или мощном контуре из разнозернистого гравия.
При вскрытии водоносного горизонта мощностью до 8—12 м на глубине до 150 м вращательным способом с прямой промывкой иногда гравийный фильтр создают с использованием гладких обсадных труб, предотвращающих обрушение стенок скважины. Гравий засыпают небольшими порциями с одновременным извлечением труб. При установке фильтров диаметром 152 мм водоносный горизонт вскрывают диаметром 400 мм. Толщина гравийной обсыпки при этом составляет 78 мм.
Во Франции иногда используют засыпку гравия в кольцевое пространство между стенками скважины и фильтра в восходя — тем потоке воды. Скорость движения подкачиваемой воды при этом необходимо поддерживать постоянной, непрерывной и незначительной, чтобы не уменьшить скорости оседания гравийных частиц. По мнению французских специалистов, недостаток этого метода состоит в том, что при малой скорости восходящего потока глинистая корка на стенках скважины не разрушается, а при большой скорости — разрушается, но засыпаемый гравий не оседает [67]. Для доставки гравия на забой используют также трубки, которые устанавливают между фильтрами и стенками скважины на уровне отстойника. Гравий засыпают вручную или при помощи насоса, по мере роста высоты гравийной обсыпки трубы поднимают. Принудительную подачу гравия иод давлением потока жидкого раствора по затрубному пространству применяют при оборудовании фильтрами глубоко залегающих водоносных пластов. Работы при этом выполняют в следующем порядке.
После цементирования затрубного пространства эксплуатационной колонны водоносный пласт вскрывают долотом с промывкой глинистым раствором. При этом устанавливают положение и гранулометрический состав водосодержащих пород. По этим данным уточняют конструкцию фильтровой колонны и состав гравийной обсыпки. Затем ствол скважины расширяют номинальным диаметром долота с промывкой облегченным раствором, после чего устанавливают фильтровую колонну с промывочными трубками. Устье скважины герметизируют, к скважине подключают гравийные бункеры и насос. Поочередно включая бункеры, гравий закачивают в скважину на облегченном растворе.
В США при бурении скважин в рыхлых отложениях, как и в других странах, широко применяют гравийную обсыпку фильтров. Предпочтение отдают способам создания мощных контуров гравийной обсыпки со значительным превышением диаметра частиц материала обсыпки по отношению к диаметру частиц водоносных пород. При бурении скважин ударно-канатным способом уширенный контур создается вследствие применения фильтровой колонны с коническим башмаком. В отличие от метода, распространенного в СССР, фильтровую колонну спускают сразу, без кондуктора и промежуточных колонн, опускаемых до кровли водоносного горизонта.
В некоторых случаях для разработки водоприемной каверны используют способ откачки с одновременной гравийной засыпкой. При этом способе скважину бурят до кровли водоносного горизонта, крепят трубами большого диаметра и цементируют. Затем спускают вторую колонну труб с крупными отверстиями в нижней части и проводят интенсивную откачку с одновременным погружением колонны в водоносный песок и заполнением образовавшейся каверны гравием через межтрубное пространство. После прекращения выноса песка внутрь рабочей колонны спускают фильтр, а трубы поднимают. Аналогичным способом оборудуют фильтрами скважины в Канаде.
При неглубоком залегании водоносных горизонтов гравийные фильтры создают транспортировкой гравия к призабойной зоне через вспомогательные скважины диаметром 76—102 мм, расположенные концентрически вокруг центральной скважины. Вспомогательные скважины бурят только до кровли водоносных пород. В процессе откачки из центральной скважины засыпают гравий через вспомогательные скважины. Этот метод дорогостоящий и требует большого расхода гравия. В отечественной практике он был успешно применен Е. Д. Филозовым еще в 1945 г. [39].
При больших глубинах залегания водоносных горизонтов скважину расширяют механическими расширителями или гидравлическим способом с помощью струйных аппаратов. После установки фильтров гравий засыпают или закачивают с водой в затрубное пространство.
При оборудовании фильтрами скважин в мелких песках для обсыпки в некоторых случаях использовали гравий с соотношением £>50/й50=113. При этом для оборудования 10 скважин было израсходовано до 400 м3 гравия, который растекался от скважины на расстояние до 8,4 м; суммарный дебит скважин составил 65 л/с при скорости вхождения в обсыпку 5 м/сут [19].
Буровые компании Канады считают, что устройство гравий- но-обсыпных фильтров увеличивает удельные дебиты в крупнозернистых песках в 2,5—3 раза. Гравийную обсыпку считают целесообразным создавать в случае применения фильтров с шириной щелей менее 0,25 мм. Для вод, склонных к осадкообразованию, этот предел увеличивают до 0,38—0,5 мм. Для обсыпок применяют гравий крупностью в 4—10 раз больше крупности водоносного песка с коэффициентом неоднородности менее 2,5. Толщину гравийной обсыпки принимают равной 76—200 мм. Гравий засыпают в зафильтровое пространство по трубе с наружным диаметром не менее 60,3 мм в нисходящем потоке воды. При формировании гравийной обсыпки с одновременным извлечением обсадной трубы слой гравия поддерживают на 0,5—3 м выше башмака трубы. Над фильтром создают песчаную подушку высотой более 9 м для предохранения его от глинистых частиц кровли. Кольцевой зазор вокруг фильтра при этом должен быть не менее 50 мм.
Эффективные современные способы вскрытия водоносных пластов и установки фильтров являются важнейшими составными элементами сооружения высокопроизводительных и надежных в эксплуатации гидрогеологических скважин. При вскрытии пласта нарушается естественное состояние водоносного пла
ста в призабойной зоне и изменяются его естественные фильтрационные свойства. Их изменение во многих случаях является процессом необратимым и последующие меры по восстановлению проницаемости лишь частично достигают поставленной цели. Поэтому своевременное принятие мер по предотвращению или уменьшению кольматации в процессе вскрытия пласта является одной из основных предпосылок высококачественного сооружения скважин на воду.
Наиболее эффективным при вскрытии пластов вращательным способом с прямой и обратной промывкой является применение в качестве промывочной жидкости пресной воды, распадающихся и меловых растворов, а также растворов с добавками водорастворимых неионогенных ПАВ, шлака или полифосфатов (кислый пирофосфат, тетраполифосфат, фосфорно-кислый натрий), стимулирующих положительные свойства промывочных жидкостей.
При вращательном бурении значительный эффект вскрытия водоносных пластов достигается применением обратной промывки водой, а при ударном —- вскрытие пласта фильтровой колонной с коническим башмаком и одновременной гравийной обсыпкой. Бурение с обратной промывкой водой целесообразно применять также при вскрытии пластов, представленных мелкими и тонкозернистыми песками с низкой водоотдачей. В легко — размываемых песках эффективно применять гидравлический способ вскрытия пласта. Перспективным является использование при бурении скважин большого диаметра в рыхлых и крупнообломочных породах грейферного способа вскрытия пласта, а при бурении скважин нормального диаметра в рыхлых скальных грунтах — турбинного с гибкой колонной труб.
Многолетний опыт использования различных типов фильтров и анализ результатов наблюдений за эксплуатацией скважин в различных условиях показывает, что из разнообразных типов и конструкций фильтров в настоящее время при бурении скважин с продолжительным сроком эксплуатации на водоносные горизонты в рыхлых отложениях наиболее приемлемы фильтровые каркасы из антикоррозийных материалов с горизонтальными щелевыми отверстиями или отверстиями типа «мост» и гравийная обсыпка. Гравийная — обсыпка при этом более эффективна по сравнению с другими материалами и обеспечивает надежную и продолжительную работу скважин. Фильтры из сеток обладают высоким фильтрационным сопротивлением, склонны к кольматации и не могут быть рекомендованы при сооружении скважин для длительной эксплуатации. Для каптажа водоносных горизонтов в мелких, средне — и тонкозернистых песках скважинами ограниченного срока эксплуатации эффективно применение фильтров с коническими отверстиями.
Фильтры в скважинах, оборудованных на водоносные горизонты в рыхлых, скальных и неоднородных по литологии водоносных породах, необходимо устанавливать только в случаях, если в конкретных гидрогеологических условиях невозможно построить бесфильтровую скважину.
В зависимости от геометрических характеристик скважин и глубины установки гравийно-обсыпные фильтры можно создавать путем транспортировки материала обсыпки в нисходящем или восходящем потоке воды и свободным осаждением. Структура гравийно-обсыпных фильтров наиболее совершенна при создании слабого восходящего потока воды.