Фильтры
Фильтры предназначены для поддержания стенок скважины в зоне продуктивного пласта в устойчивом состоянии и предотвращения попадания в эксплуатационную колонну механических примесей. В скаль-
|
Уровень воды, м |
|
Глу бина зале гания подо швы слоя, м |
|
Диаметр, мм. Глубина обсадки, м |
|
Мощ ностъ слоя, м |
|
Г еологический разрез и конструкция скважины |
|
уста- но- вив- ший- ся |
|
при буре нии |
|
1 |
|
17,5 |
|
17,5 |
|
Суглинок лессовидный макропористый, слюдистый, с прослойками буроватого цвета |
|
і І |
|
1 |
|
15,0 _2. |
|
15,0 |
|
18.5 20.5 |
|
2,5 |
|
Песок серый, мелкозернистый |
|
20,0 |
|
407 25,0 |
|
Глина зеленая, тонкослоистая, сланцеватая, плотная, слюдистая |
|
40,0 |
|
20,0 |
|
35,0 |
|
35.0 32.0 38.0 40.0 70.0 65.0 40.0 |
|
60,0 |
|
324 65,0 |
|
а |
|
94,0 |
|
9,0 |
|
125,0 |
|
5,0 |
|
.1 • і •і ; .—ч |
|
26,0 |
|
120,0 |
|
Песок серый, крупно — и средне — зернистый, с мелким гравием, водоносный |
|
Песок серый, мелкозернистый, водоносный |
|
15,0 |
|
85,0 |
|
75,0 |
|
Мергель голубоватый, плотный, жирный, слюдистый, слабоводоносный |
|
15,0 |
|
В |
|
60,0 |
|
20,0 |
 |
||
 |
||
 |
||
|
||
 |
||
 |
||
 |
||
|
||
|
||
 |
||
|
||
|
||
|
 |
|
Рис. 9.4. Конструкции скважин ударного бурения
ных устойчивых против обрушения породах фильтры не применяют, и водоприемная часть скважины представляет собой открытый ствол. В породах, склонных к обрушению, устанавливают различные каркасные фильтры. Если водоносный пласт представлен известняками, гравелистыми и песчаными породами, то используют каркасы с круглыми или щелевыми отверстиями различного размера (см. рис. 9.2).
В качестве каркасов используют обсадные трубы или сварные конструкции.
Скважность фильтра г| — отношение фильтрующих площадей к общей площади
Л = ^-100%, (9.5)
где п — число фильтрующих отверстий; /о — площадь одного отвер
стия; й — диаметр фильтра.
Трубчатые каркасы имеют скважность в пределах до 20—25 %, каркасно-сварные конструкции — до 60 %.
Каптаж из водонасыщенных и раздробленных водовмещающих пород осуществляют через различные фильтрующие поверхности: просечного листа, профильной и круглой проволоки, сетки (рис. 9.5).
Размеры фильтрационных отверстий (1а в зависимости от их геометрии и однородности породы составляют
|
Рис. 9.5. Каркасно-стержневой фильтр с проволочной обмоткой |
4) = А4,, (9.6)
где ё„ — средний размер частиц породы; к — коэффи
циент, &= 1,25—3,0.
Вокруг отверстий образуются сводики частиц породы, препятствующие их проникновению внутрь фильтра. Когда водоотбор прекращается, а затем вновь возобновляется, возникают гидродинамические давления на свод и он разрушается. Однако после некоторого периода водоотбора такие сводики породы вокруг отверстия фильтра образуются вновь. Пескование скважин на первом этапе водоотбора (1—3 сут) вполне оправдано, поскольку позволяет извлечь мелкие фракции пород из прифильтровой зоны.
Для исключения пескования следует снизить производительность водоотбора и организовать плавный запуск насоса.
На рис. 9.6 и 9.7 представлены фильтры и детали проходного отверстия типа мост. Менее совершенными в гидравлическом смысле являются сетчатые и фильтры с намоткой круглой формы. Блочные фильтры состоят из мелких частиц гравия, скрепленных друг с другом специальным клеем.
Фильтры, предназначенные для стационарного применения, изготовляют из нержавеющих материалов
Рис. 9.7. Детали проходных отверстий типа мост: а — высота моста; б — длина шели; в — ширина моста; г — перемычка между щелями по вертикали; д —перемычка между щелями по образующей
|
Рис. 9.6. Фильтр с проходными отверстиями типа «мост» |
(латунь, пластик и т. п.) или покрываются специальным антикоррозийным покрытием типа рильсан и т. д.
Основные габаритные размеры фильтра рассчитывают по формуле
где 0 —проектный дебит, м3/ч; Ь — длина рабочей части фильтра, м; 2) — диаметр фильтра, мм; а — коэффициент, учитывающий фильтрационные свойства пласта.
|
Порода водоносного пласта Коэффициент фильтрации, м/сут Песок: мелкозернистый……………………………… 2—5 среднезернистый……………………………… 5—10 крупнозернистый……………………………. 15—30 Гравий……………………………………………….. 30—70 Песчаник трещиноватый………………………….. 10—70 |
Ниже представлены фильтрационные свойства пласта.
Коэффициент а
90 60 50 30 60-30
Диаметр фильтра должен быть более 90 мм, что позволит проводить его ремонт; в наблюдательных скважинах диаметр фильтра составляет 50—73 мм. Длина фильтра эксплуатационных скважин должна быть не менее 10 м. В случаях, когда водоносный пласт имеет большую мощность, фильтр устанавливают в части, где имеют место интенсивные водопритоки.
Проектный дебит (м3/сут) рассчитывают по уточненной формуле Дюпюи
|
_ 2пкЦБ — Иф- /гтр) |
(9.8)
где к — коэффициент фильтрации пород, м/сут; Ь — длина фильтра, м;
— понижение уровня при откачке, м; кф — гидравлическое сопротивление фильтра, м; /гф — гидравлическое сопротивление водоподъемных труб, м; Л —радиус влияния (депрессионная водонка), м; г—радиус фильтра; — коэффициент сопротивления по степени вскрытия пласта; ~ коэффициент сопротивления по характеру вскрытия пласта.
Если скважина совершенна (длина фильтра Ь равна мощности пласта т), = 0. В случае, когда Ь<т и фильтр расположен в раз
личных участках пласта, может достигать 10—15. Коэффициент характеризует несовершенство фильтра по характеру вскрытия пласта. В случае его кольматации £2 может достигать значений 50—70 и более, особенно значительная кольматация прифильтровой зоны имеет место при поглощении пластом большого объема глинистого раствора и т. п.
Загрузка фильтра по его длине неравномерна: чем выше дебит, тем в большей мере загружен его верхний участок, на котором имеют место наибольшие входные скорости фильтрации и возможна высокая степень пескования фильтра.
Гравийно-обсыпные фильтры обеспечивают устойчивый водоотбор и используются при сооружении эксплуатационных и дренажных скважин в мелкозернистых и среднезернистых песках. Толщина гравийной обсыпки должна быть не менее 90—100 мм, размер гравия подбирают из соотношения:
|
|
(9.9)
где — средний размер гравия, мм; с1%) — средний размер водонасыщенного песка, мм.
Подачу гравия в прифильтровую зону осуществляют насосом по специальным (питательным) трубам, либо непосредственно в затруб — ное пространство, если глубина засыпки не превышает 100—150 м. Концентрация гравия в воде не должна превышать 10—12%; при концентрации гравия более 15—17 % в нагнетательной линии возникают пробки. Гравий должен быть однороден по своему размеру.
При сооружении гравийных фильтров в глубоких скважинах используют схему подачи гравия по специальной нагнетательной колонне, которая устанавливается внутри эксплуатационной: в последней имеются специальные отверстия для нагнетания гравия в прифильтровую зону. После заполнения прифильтровой зоны гравием нагнетательную колонну извлекают.
Для повышения надежности работы фильтра создают запас гравия над верхними отверстиями каркаса фильтра высотой 5—10 м с учетом его возможного проседания и уплотнения при эксплуатации.
В ЗАО «Русбурмаш» разработана технология намыва гравия в при — фильтровую зону с использованием специального инструмента для случая, когда фильтровая колонна установлена впотай и когда она выведена на поверхность — УГФ. В качестве фильтра использованы щелевые и проволочные конструкции.
На рис. 9.8 представлена схема намыва гравия в фильтровую колонну, установленную «впотай». Специальный инструмент устанавливают над фильтром внутри эксплуатационной колонны и фиксируют на устье скважины. Пакер под действием осевого усилия от веса труб разжимается и герметизирует кольцевое пространство между фильтровой и эксплуатационной колоннами. Прямую промывку осуществляют
|
в г Рис. 9.8. Сооружение гравийного фильтра в скважине при установке фильтровой колонны впотай: |
о —инструмент для сооружения гравийного фильтра УГФ-П; 6— установка УГФ-П на устье над фильтровой трубой; в —фиксация УГФ-П в скважине и намыв гравия; г —извлечение УГФ-П из скважин, / — верхний торец трубы; 2— пробка; 3 — герметизирующая втулка; 4— направляющая втулка; 5— опорный патрубок; 6— пакер; 7—выпускные отверстия; 8— конус; 9 —седло; 10 — переходник; // — вспомогательная труба; 12— хомут; 13— центраторы; /4—фильтровая колонна; /5—отстойник с обратным клапаном; /6 —бурильная колонна; /7—замковое соединение; 18— надфильтровая труба
с помощью бурового насоса по бурильным трубам и далее по затруб — ному зазору в прифильтровую зону.
Через отверстия фильтра вода входит внутрь фильтра и затем через верхние отверстия над пакером попадает в кольцевое пространство и к устью скважины. После промывки в нагнетательную магистраль попадает гравий, который заполняет прифильтровую зону, вода частично попадает в пласт. Заполнение прифильтровой зоны гравием отмечается резким повышением давления в нагнетательной линии за счет перекрытия гравием выпускных отверстий. Далее инструмент взвешивают и поворачивают на 45—60°, в результате опорные патрубки инструмента выходят из замкового соединения фильтровой колонны, и инструмент извлекают из скважины.
При использовании схемы оборудования скважины с выводом фильтровой колонны на поверхность предусматривают герметизацию пространства между фильтровой и эксплуатационной колонной на устье скважины. Подачу гравия в нагнетательную магистраль осуществляют эжекторным или буровым насосом. Концентрация гравия в воде не должна превышать 12—17 %, что исключает образование гравийных пробок. Процесс закачки гравия должен быть непрерывным, гравий должен быть отсортирован и не иметь посторонних примесей.
|
Рис. 9.9. Схема бесфильтровой скважины |
При одновременном оборудовании гравийными фильтрами нескольких водоносных пластов используют многосекционный специальный инструмент.
Песчаные водоносные пласты, у которых кровля представлена устойчивыми породами (песчаники, окремнелые известняки и др.), можно эксплуатировать без установки фильтров (рис. 9.9). Устойчивость кровли сохраняется при выполнении следующего условия:
Я< 0,75/72/, (9.10)
где К — радиус каверны, м; т — мощность пласта, м; /— коэффициент крепости пород по шкале М. М. Протодья — конова.
После вскрытия водоносного пласта ствол скважины оборудуется эксплуатационной колонной с обязательным тампонажем. Разработка каверны осуществляется эрлифтом с подачей воды по специальной колонне труб в начальный период откачки (рис. 9.10).
Необходимым условием работы эрлифта, особенно в первоначальный период времени, является его безостановочная работа. В конце откачки путем накопления воздуха в ресивере и моментального его выпуска в скважину создаются так называемые пневмоудары. Это уско-
|
Рис. 9.10. Схема сооружения бесфильтровой скважины: / — компрессор; 2—насос; 3 — отстойник; 4 — эрлифтные трубки; 5—трубы для подачи воды; б —обсадные трубы; 7—цементное кольцо; 8— водоприемная воронка; 9 — водоносный пласт |
ряет процесс формирования воронки, так как способствует разрыхлению песчаных пород. После пневмоудара содержание песка в откачиваемой воде увеличивается. Откачка эрлифтом на первом этапе разработки воронки может сочетаться с одновременной подачей воды в пласт по дополнительной колонне труб. Процесс формирования воронки обычно заканчивается за 3—5 сут. Объем вынесенного песка составляет 10—30 м3, однако имеются случаи, когда формируются воронки с большим радиусом и объем вынесенного песка достигает 200 м3.
Бесфильтровые скважины бесперебойно работают по 10—20 лет и более, дебиты в течение времени изменяются незначительно. Бесфильтровые скважины даже при достаточно небольшой мощности водоносного пласта (до 3—4 м) позволяют получать высокие дебиты. Глубина размытой каверны может быть найдена из формулы
где Ук — объем каверны, м; ф —угол естественного откоса, ф = 20—30°. Объем песка при откачке Кп равен
К=Ккк, (9.12)
где кр — коэффициент разрыхления песка, кр = 1,2.
Проектный дебит бесфильтровой скважины зависит от радиуса разработанной каверны, который в свою очередь определяется устойчивостью пород кровли. Минимальная мощность пород прочной кровли должна быть не менее 2—3 м. Повысить устойчивость пород кровли можно, если эксплуатационная колонна будет качественно зацементирована. В случае если кровля представлена глинистыми породами, то возможно частичное обрушение пород кровли. В практике сооружения бесфильтровых скважин применяют засыпку гравия в воронку, что также повышает устойчивость пород кровли.
Высоту свода (см. рис. 9.9) равновесия /г, определяют по формуле
(9.13)
где Л — радиус воронки, м; /— коэффициент крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова.
Радиус воронки /? находят из объема вынесенного песка:
ntgtp
где Уп — объем вынесенного песка, м3.
Проектный дебит бесфильтровой скважины рассчитывают по формуле
Q = vф^nR2tg(p, (9.15)
где С? — проектный дебит, м3/ч; оф — допустимая скорость фильтрации воды, м/ч.
Дебиты бесфильтровых скважин ограничены условиями пескова- ния скважины, которые определяют допустимой скоростью фильтрации. Поэтому во избежание пескования эксплуатационный дебит должен быть в 1,3—1,4 раза ниже фактического.