Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Рассматриваемая технология предусматривает возможность сооружения гидрогеологических скважин станками вращатель­ного бурения с прямой промывкой на водоносные горизонты, представленные мелкими и тонкозернистыми песками, залегаю­щими на глубинах до 300—350 м и не выдержанными по мощ­ности и глубине залегания. Водоносные горизонты с такими закономерностями распространены на юге Молдавии. Характер­ной особенностью их является изменение в больших пределах пьезометрических напоров над кровлей и глубин статических уровней.

Эта задача осуществляется путем вскрытия водоносного го­ризонта вращательным способом с промывкой водой для умень­шения кольматации призабойной зоны и создания надежного фильтра из песчано-гравийного материала, транспортируемого на забой по кольцевому пространству между стенками скважи­ны или кондуктора и обсадной колонной труб в восходящем потоке воды.

Применительно к конкретным гидрогеологическим условиям в тресте Молдбурвод разработаны три варианта технологии бурения и оборудования фильтрами гидрогеологических сква­жин. Первый вариант применим преимущественно для условий, когда в разрезе преобладают глинистые, сравнительно устойчи­вые породы, водоносный же горизонт обладает пьезометриче­ским напором над кровлей, а глубина статического уровня не превышает 150 м. Второй и третий варианты более приемлемы Для условий, когда в разрезе преобладают рыхлые, неустойчи­вые отложения, водоносный горизонт не обладает пьезометри­ческим напором (или он весьма незначительный). Второй ва­риант необходимо применять также в условиях, когда возможен самоизлив воды из скважины. Сущность и последовательность вьтолнения работ по бурению и оборудованию фильтрами сква­жин показаны на рис. 27, а (1-й вариант) и рис. 27, б, в (2-й и ^■й варианты).

Рассмотрим порядок выполнения работ для каждого из ва­риантов.

Рис. 27. Технологическая схема бурения и оборудования гидрогеологических.

скважин в мелких песках вращательным способом с промывкой водой: а — 1-й вариант; 1 — ствол пилот-скважины, 2 — электрокаротажная диаграмма, 3 — во — доиосный пласт, 4 — интервал ствола скважины большого диаметра, пройденный с промыв­кой глинистым раствором, 5 — интервал, пройденный с промывкой водой, 6 — стенки сква­жины по данным профилеметрии, 7 — обсадно-фильтровая колонна труб, 8 — рабочая часть фильтра, 9 — отстойник, 10 — левое резьбовое соединение донной части фильтра с бурильными трубами, 11 — обратный клапан, 12 — бурильные трубы, 13 — герметирую — щее приспособление, 14 — направление движения промывочной смеси, 15 — направление движения песчано-гравийной смеси, 16 — песчано-гравийный фильтр, /7 — цементный мост, 18 — засыпка затрубного пространства песком, глиной, гравием, щебнем, 19 — бе­тон, 20 — эрлифт;

б — 2-й вариант: 1 — ствол пилот-скважины, 2 — электрокаротажная диаграмма, 3 — водо­носный пласт, 4 — кондуктор, 5 — зацементированное кольцевое пространство, 6 — коль­цевое пространство, затампонированное глинистым раствором, 7 — забетонированное коль­цевое пространство у устья, 8 — фильтровая колонна труб, 9 — рабочая часть фильтра, 10 — отстойник, 11 — левое резьбовое соединение дойной части фильтра с бурильным® трубами, 12 — обратный клапан, 13 — бурильные трубы, 14 — герметизирующее приспо­собление, 15 — направление движения промывочной жидкости, 16 — направление движе­ния гравийно-песчаной смеси, 17 — песчано-гравийный фильтр, 18 — сальник, 19 — эрлиф’г

I этап	II этап	ІII этап	IV этап
Бурение пилот* скважины диамет­ром 146 мм, электрокаротаж, “«бор водоносного пласта для испы­тания	Расширение скважи­ны диаметром 350— 500 мм до кровли во­доносного пласта с промывкой глинис­тым раствором, креп­ление скважины ко­лонной труб (кондук­тором) диаметром 250—400 мм, цемен­тирование затрубного пространства скважи­ны	Вскрытие водонос­ного пласта с промыв­кой водой, обрушение песков, промывка с об­ратной циркуляцией воды, установка фильтровой колонны труб, зафильтровая промывка водой, об­сыпка фильтра песча- но — гравийной смесью в восходящем потоке воды	Испытание скважи­ны иа воду, досыпка песчано-гравийиой сме«- си иа заданную глуби % иу, подготовка к эксп­луатации

В 2,5 А 0,25 М КС ПС

‘в — 3-й вариант; / — ствол пилот-скважины, 2 —- электрокаротажная диаграмма, 3 — водо — аюсный пласт, 4 — обсадные трубы диаметром 254 мм, 5 — зацементированное кольцевое. пространство, 6 — кольцевое пространство, затампоиированное глинистым раствором,

7 — забетонированное кольцевое пространство у устья, 8 — фильтровая колонна труб диаметром 152 мм, 9 — рабочая труба фильтра, 10 — отстойник, 11 — левое муфтовое соединение дониой части фильтра с бурильными трубами, 12 — обратный клапан, 13 — бу­рильные трубы, 14 — герметизирующее приспособление, 15 — направление движения промывочной жидкости, 16 — направление движения песчано-гравийной смеси, 17 — пес — чано-гравийный фильтр, 18 — эрлифт

I этап	11 этап	111 этап	IV этап

Бурение пнлот — скважины диамет­ром 146 мм, электрокаротаж, »выбор водоносного пласта для испы­тания

Расширение скважины диаметром 350 мм до кровли водоносного плас­та с промывкой глинис­тым раствором, крепле­ние скважины колонной труб кондуктором диамет­ром 254 мм, цементиро­вание затрубного прост­ранства скважины

Вскрытие водоносного пласта с промывкой во­дой расширяющимся до­лотом диаметром 450— 600 мм, установка фильт­ровой колонны, зафильт — ровая промывка водой, обсыпка фильтра песчаио — гравийной смесью в вос­ходящем потоке воды

Испытание сква­жины на воДУ* подготовка к эксгг луатации

Работы проводятся в 4 этапа.

I этап. Бурение пилот-скважины, геофизические исследова­ния, выбор пласта для испытания (рис. 27, а, /).

Сначала бурят пилот-скважину диаметром 121 или 146 мм до проектной глубины. Глубину скважины задают из такого расчета, чтобы вскрыть основные предполагаемые водоносные горизонты в заданной точке. Бурение можно осуществлять без отбора керна с промывкой глинистым раствором. Режим буре­ния — оптимальный.

По окончании бурения в скважине выполняют геофизические исследования, по результатам которых уточняют интервалы вскрытых водоносных пород и выбирают наиболее перспектив­ный водоносный горизонт для испытания и интервал установки фильтра. Как правило, выполнение стандартного электрокаро­тажа достаточно для решения поставленной задачи. По кри­вым электрического сопротивления и ПС с достаточной для практических целей точностью выделяют интервалы обводнен­ных песков, степень четкости контактов, наличие глинистых, слабопроницаемых прослоев в водоносных горйзонтах и опреде­ляют интервал установки фильтра.

II этап. Расширение скважины, вскрытие пласта (рис. 27, а, II).

Работы выполняют в следующем порядке. Если в верхней части разреза имеются неустойчивые породы или водоносный горизонт грунтового типа, требующий надежной изоляции, ствол расширяют для установки кондуктора из труб диаметром 406—457 мм. Если же верхняя часть разреза представлена глинами и суглинками, обладающими достаточной устойчи­востью на период проведения работ, — кондуктор можно не устанавливать.

Скважину расширяют долотом диаметром 450—500 мм. Если в скважине установлен кондуктор, — диаметр расширения соот­ветствует внутреннему диаметру кондуктора. Расширение до кровли водоносного горизонта осуществляют с применением глинистого раствора. Затем глинистый раствор в отстойниках и стволе скважины заменяют на воду, а водоносный горизонт вскрывают с применением воды в качестве промывочной жидко­сти. После вскрытия пласта скважину промывают водой до полной очистки забоя от выбуренного шлама.

В процессе углубки скважины по водоносным пескам необ — ХоДИмо отбирать пробы выносимого песка.

Чтобы промыть ствол скважины от выбуренного шлама, не- °бходимо насосом прокачать количество воды, равное двух — »Рехкратному геометрическому объему скважины. При расчетах Можно пользоваться номограммой для определения времени Цикла промывочной жидкости по системе бурильные трубы —

кольцевое пространство скважины (рис. 29). Номограмма рас­считана для скважины глубиной 100 м. Если глубина скважины не равна 100 м, то для определения времени Т, найденного по номограмме, ответ следует умножить на 0,01 глубины. Порядок пользования номограммой покажем на примере.

Пример. Определить время цикла в скважине диаметром 450 мм и глубиной 200 м. Бурильные трубы диаметром й—73 мм с толщиной стенки 6=7 мм. Расход промывочной жидкости (2 = 250 л/мин.

Находим внутренний диаметр бурильных труб й0=с1—26= = 59 мм. Через точки 59 на шкале и 73 на шкале й проводим прямую до пересечения с горизонтальной осью. Из точки пере­сечения проводим вертикаль до пересечения с прямой £> = 450 и из этой точки — горизонталь до пересечения с лучом <3 = = 250 л/мин. Точку пересечения сносим на ось абсцисс Т, на которой находим 7=63 мин. Следовательно, при глубине сква­жины 200 м 7=63X0,01X200=126 мин.

При необходимости проверки состояния скважины перед креплением в ней выполняют кавернометрию или профилемет — рию. На(рис. 7 показаны результаты проведения этих работ, выполненных на двух скважинах с различной продолжитель­ностью их расширения: 7 сут (скв. 558) и 12 сут (скв. 624). Из рисунка видно, что продолжительность бурения существенно влияет на образование каверн.

III этап. Установка фильтровой колонны и создание гравий­но-обсыпного фильтра (рис. 27, а, III).

Опускаемая в скважину фильтровая колонна труб диамет­ром 152 или 203 мм имеет следующую конструкцию. Рабочая часть фильтра состоит из перфорированных труб и покрытия из штампованного стального листа или нержавеющей проволоки с шагом обмотки 1—2 мм. Отстойник длиной 0,5—2,0 м в ниж-‘ ней части! имеет обратный клапан, над которым установлено левое резьбовое соединение из бурильного замка ЗШ27/8. На наружной части колонны труб установлены съемные направ­ляющие фонари из полосового или арматурного железа, кото­рые крепят на трубах при помощи стопорных болтов, ввинчи­ваемых в отверстия на опорных кольцах и упирающихся в тело обсадной трубы.

Вследствие того, что диаметр бурения скважины значитель­но больше диаметра труб, применяемых для ее крепления, во избежание возможных искривлений колонну обсадных труб не­обходимо поддерживать в подвешенном состоянии на протяже­нии всего периода строительных работ.

После установки фильтровой колонны в нее спускают ко­лонну бурильных труб. Нижняя труба имеет замок с левой резьбой.

Бурильные трубы соединяют с донной частью фильтра. За­тем герметизируют пространство между фильтровой и буриль­

ной колоннами труб на устье скважины. Приспособления для герметизации показаны на рис. 28. Принцип их действия ясен из рисунков. Затем проводят зафильтровую промывку скважи­ны водой через бурильные трубы с помощью бурового насоса. Цель зафильтровой промывки состоит в том, чтобы удалить из призабойной зоны шлам и частицы пород, попадающих в нее со

Рис. 28. Приспособления для герметизации устья скважины: а—зажимное с сальниковым уплотнителем; 6— фланцевое с резиновым уплотнителем:

/—бурильная труба, 2—об­садная труба, 3—муфта, 4— герметизирующая пробка из концентрически расположен­ных колец, 5—опорный ста­кан, 6—нажимной стакан,

7—сальниковая набивка, 8— нижиий флаиец с резьбой,

9—верхний фланец, 10—рези­новое кольцо, 11—шпилька с гайкой

стенок скважины при подъеме инструмента и спуске обсадных труб. При этом стенки скважин размываются, поглощение уве­личивается.

Зная подачу бурового насоса и геометрические размеры скважины, по номограмме на рис. 30 можно определить сред­нюю скорость потока воды в кольцевом зазоре.

Поясним правило пользования номограммой.

Пример.

Определить среднюю скорость потока в кольцевом простран­стве, образованном цилиндрическими поверхностями диаметра — Ми 0=500 мм и с?=168 мм, если расход жидкости Q= 15 м3/ч.

Через точки 168 мм и D—500 мм проводим прямую до Пресечения с осью F; из точки пересечения вправо проводим г°Ризонталь, а из точки Q = 15 м3/ч проводим вертикаль. По по­ложению точки пересечения этих линий на луче постоянных к°ростей течения wCp находим иср—2,4 см/с.

Определив по табл. 9 скорость свободного осаждения частиц Б°Де, можно ориентировочно определить относителы yi

рость их движения в восходящем потоке воды и вычислить продолжительность промывки, необходимую для очистки забоя. Можно воспользоваться для этой цели номограммой (рис. 29).

Промывку осуществляют в течение 3—8 ч с максимально возможной подачей бурового насоса В случаях, когда по ка­ким-либо причинам пласт оказался сильно закольматированньп^

20 70 SO ПО 130 150 170180 200 220 d, мм __l Li I_______ L_l I I I__________ I 1——— I—— 1— 1—— 1—- 1—— ±——— 1— 2D 5010 SO 100 120 140 150 ISO 170 1S0 190 200 210 220 d, мм Рис. 29. Номограмма для определения времени цикла Т (мин) промывочной жидкости по системе бурильные трубы — кольцевое пространство скваЖнИ

продолжительность промывки может быть увеличена. НаибоЛ# часто возникает такая необходимость, если водоносный горйЗ° не обладает пьезометрическим напором, вскрывается при шом избыточном гидростатическом давлении. (свыше ‘ 10 кгс/см2), а также, если при вскрытии водоносных песК

Оср, мм	и, см/с	"ср. ыы	исм/с	£>ср, мм	и. см/с * * 4
0,01	0,007	0,50	5,40	2,00	15,29
0,03	0,062	0,55	5,94	2,25	16,62
0,05	0,178	0,60	6,48	2,50	17,65
0,08	0,443	0,65	7,02	2,75	18,50
0,1	0,692	0,70	7,32	3,00	19,25
0,13	1,160	0,75	7,70	3,25	20,10
0,15	1,557	0,80	8,07	3,50	20,85
0,18	2,000	0,85	8,40	3,75	21,55
0,20	2,16	0,90	8,75	4,00	22,25
0,25	2,70	0,95	9,06	4,25	22,95
0,30	3,24	1,00	9,44	4,50	23,65
0,35	1,78	1,25	11,50	4,75	24,30
0,40	4,32	1,50	12,56	5,00	24,90
0,45	4,86 ь	1,75	13,92

были обнаружены подстилающие их глинистые породы. Про­мывку можно считать законченной, если поглощение воды пластом составляет не менее 2—5 л/мин после прекращения промывки (снижение уровня воды в скважине прй этом состав­ляет примерно 2—4 см/мин), а вынос песчаных и глинистых частиц незначителен.

Затем среднюю скорость восходящего потока воды в кольце­вом пространстве уменьшают до 0,60—1,3 см/с в зависимости от гранулометрического состава водовмещающих песков и исход­ного (засыпаемого в скважину) песчано-гравййного материала и приступают к загрузке материала обсыпки в кольцевое про­странство. Во избежание излишних расчетов среднюю скорость, восходящего потока в кольцевом пространстве целесообразно определять с достаточной для практических целей точностью по — номограмме на рис. 30. Номограмма позволяет определять также по заданной скорости восходящего потока необходимую подачу наноса. Правило пользования номограммой покажем на приме­ре. При наружном диаметре трубы ^=168 мм и диаметре скважины £>=450 мм необходимо обеспечить скорость потока и=0,8 см/с. Через точки й=168 мм и И—450 мм на шкалах “ и О проводим прямую до пересечения С ОСЬЮ Г] из точки пересечения проводим горизонталь до пересечения с лучом ПО­СТОЯННОЙ скорости потока и—0,8 см/с и сносим полученную точ — на ось С}, на которой находим (2=4 м3/ч.

Песчано-гравийный материал загружают в кольцевое прост­ранство с интенсивностью 0,05—0,06 м3/мин. В процессе обсып- Ддавление на буровом насосе остается незначительным. Рез — 0Ии перепад давления от 3—5 до 15—20 кгс/см2 свидетельствует гпТ°М’о что фильтровый каркас полностью обсыпан песчано — ийным материалом и осаждение в этот момент происходит

в кольцевом пространстве на 5—15 м выше фильтра. Так как к этому моменту формирование структуры гравийного фильтра в восходящем потоке воды фактически закончено, дальнейшую обсыпку можно осуществлять без промывки.

Резкий скачок давления может наступить иногда до завер­шения обсыпки фильтра. Это свидетельствует о нарушении ре-

Рис. 30. Номограмма для определения средней скорости восходящего пото­ка и в кольцевом пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностя­ми О и (1 ппи расходе жидкости <2^22 м3/ч

жима обсыпки и создании гравийной пробки в кольцевом зазо­ре. В этом случае необходимо прекратить обсыпку до момента восстановления давления, характерного для нормального пр0′ цесса создания гравийного фильтра.

Для обеспечения нормальной работы фильтра достаточн выполнить обсыпку на 5—7 м выше глубины его установи

Глубину обсыпки контролируют при помощи щупа, опускаемо­го в затрубное пространство на стальном тросе.

IV этап. Тампонирование затрубного пространства и испыта­ние скважины на воду (см. рис. 27, а, IV)

Если выше испытуемого водоносного горизонта в разрезе отсутствуют водоносные горизонты, тампонирование песчано­гравийным или любым другим инертным материалом выпол­няют до устья. Устьевую часть на глубину 5—10 м тампонируют бетоном или цементом.

При наличии в верхней части разреза имеющих существен­ное значение водоносных горизонтов для предотвращения гид­равлической связи через затрубное пространство между ними устанавливают цементные мосты путем закачивания цемента на заданную глубину через бурильные трубы, спущенные в кольцевой зазор. Далее демонтируют приспособление для гер­метизации устья, поднимают бурильные трубы и испытывают скважину на воду желонкой, а затем эрлифтом или погружным электронасосом.

2-и 3-й варианты

Второй и третий варианты, включая основные элементы первого варианта, имеют ряд принципиально отличительных черт. Технология проведения работ показана на рис. 27, б, в. Поэтому остановимся на их отличительных особенностях. Рас­ширенный до кровли водоносного горизонта ствол скважины крепят обсадными трубами (кондуктором) диаметром 254— 406 мм с цементированием затрубного пространства. Диаметр кондуктора выбирают, исходя из технико-экономических сооб­ражений и обеспечения кольцевого зазора, достаточного для качественного выполнения гравийной обсыпки фильтра. Если водоносный горизонт залегает на значительной глубине, целе­сообразно для уменьшения металлоемкости и стоимости сква­жины обсадить ее кондуктором диаметром 254—304, 8 мм с последующей установкой фильтра «впотай» (см. рис. 27, в). При неглубоком залегании водоносного горизонта экономически оправданы применение кондуктора диаметром 356—406 мм и установка фильтра с выводом на поверхность надфильтровой трубы (см. рис. 27, б).

Водоносный пласт вскрывают с промывкой водой. Для уве­личения контура обсыпки фильтра наиболее целесообразно при Этом применять расширяющее долото лопастного типа. Серий­ное изготовление таких долот в настоящее время не налажено. Для этой цели могут быть использованы механические и гид­равлические расширители конструкции треста Востокбурвод, ^ковлевского СМУ треста Союзшахтоосушение и другие кон — стРукции, изготовляемые производственными организациями в Условиях механических мастерских.

На юге Молдавии встречаются случаи, когда водоносные горизонты, залегающие на глубинах свыше 100 м, имеют сво­бодную поверхность воды или пьезометрический напор ее со­ставляет несколько метров. Избыточное давление на пласт при его вскрытии в данном случае во много раз превышает возму­щение, которое можно создать при откачке. Соответственно и эффект кольматации здесь проявляется в большей степени, чем возможности устранения ее путем откачки воды из скважины после оборудования ее фильтром. В таких случаях целесообраз­но вскрывать пласт диаметром, соответствующим внутреннему диаметру кондуктора с последующей разглинизацией.

Работы выполняют в следующем порядке. Водоносные пес­ки обрушают путем оттартывания воды желонкой. Затем в скважине монтируют эрлифтную установку из расчета, чтобы водоподъемные трубы по мере вымывания обрушенного песка в процессе откачки постепенно опускались до заданной глубины установки фильтра. Во избежание большого обрушения песка и связанного с ним создания песчаных пробок, а также для обеспечения нормальной работы эрлифта откачку выполняют с одновременным доливом воды в скважину (круговая циркуля­ция). Производительность скважины при откачке эрлифтом не должна превышать подачи воды в скважину. На случай увели­чения поглощения на буровой необходимо иметь запас воды в количестве 5—10 м3. После удаления с забоя обрушенной поро­ды эрлифт демонтируют. На практике иногда для очистки при­забойной зоны от обрушенной породы применяют повторную промывку с помощью бурового инструмента.

После вскрытия пласта одним из указанных выше способов в скважину спускают фильтровую колонну. Если надфильтро — вая труба выведена на поверхность, все работы выполняют в том же порядке, как в 1-ом варианте (см. рис. 27, б). При уста­новке фильтра «впотай» (см. рис. 27, в) последний спускают на бурильных трубах. Для предотвращения попадания гравия в фильтр и обеспечения правильного формирования структуры гравийного фильтра надфильтровую трубу закрывают гермети­зирующим приспособлением (см. рис. 27, в). Фильтровую колонну необходимо надежно центрировать. Верхний торец наД- фильтровой трубы должен находиться на 10—15 м выше баш­мака обсадной колонны. Это позволяет создать необходимый запас материала обсыпки на случай его усадки в процессе эксплуатации и избежать установки сальника в кольцевом за­зоре, так как фильтрационное сопротивление в кольцевом пространстве в данном случае будет выше, чем сопротивление фильтра.

По описанной выше технологии в южных районах Молдавии пробурено свыше 400 скважин для водоснабжения. Она позво­ляет бурить скважины в сложных геолого-литологических усло­виях, при отсутствии четких закономерностей распространения водоносных горизонтов и создавать совершенные гравийно-об — сьшные фильтры на больших глубинах.

Сущность технологии состоит во вскрытии водоносного горизонта с промывкой водой и в создании надежного гравий’ Но-обсыпного фильтра на заданной глубине. Она включает следующие основные элементы:

1) получение информации о глубине залегания, мощности и проницаемости водоносных песков и выбор интервалов для испытания на основе бурения малым диаметром пилот-сква­жины и данных геофизических исследований;

2) расширение ствола скважины с промывкой глинистым раствором и вскрытие водоносного пласта с промывкой водой;

3) создание гравийно-обсыпного фильтра путем транспорти­ровки материала обсыпки на забой по кольцевому пространству между стенками скважины и обсадных труб в восходящем по­токе — воды.

Вскрытие пласта с промывкой водой уменьшает кольмата — цию призабойной зоны, а создание гравийно-обсыпного фильтра в восходящем потоке воды позволяет улучшить качественный состав материала обсыпки, предотвратить осложнения при проведении работ и создать совершенную структуру фильтра.

Ниже рассматривается формирование структуры гравийно- обсыпных фильтров, создаваемых в восходящем потоке воды.

Комментарии запрещены.