Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Современные конструкции скважин на воду делятся на фильтровые и безфильтровые. Соотношение их составляет при­мерно 1:1.

1. Фильтровые скважины. Известно, что фильтры устанав­ливаются в неустойчивых рыхлых и скальных породах.

Фильтр устанавливают в скважине с таким расчетом, чтобы его рабочая часть была удалена от породы в кровле и подошве водоносного горизонта на 0,5—1,0 м. При мощности водонос­ного горизонта до 10 м длину его рабочей части выбирают рав­ной мощности пласта. Длина отстойника — глухой трубы или трубы со специальными вырезами — принимается не менее 2 м.

Конструкция фильтровой скважины определяется в основном целевым назначением и гидрогеологическими условиями: 1) глу­биной скважины; 2) уровнем воды в ней; 3) размерами и конст­рукцией фильтра. Однако конкретные ее параметры: число ко­лонн обсадных труб (одно — или многоколонная), их диаметры и глубины спуска зависят от целого ряда факторов: 1) типа водо­подъемного насоса; 2) способа бурения; 3) числа вскрываемых

6 в Рис. 9.7. Схема конструкции фильтровой скважины: а — с выходом надфильтровой трубы на поверхность; б — с надфильтровой трубой уста­новлена «впотай»; в — комбинированная конструкция фильтровой скважины; / — кондук­тор; 2— эксплуатационная колонна; 3—фильтр; 4 — вспомогательная временная ко­лонна; 5 —сальник; 6 — муфта с левой резьбой; 7 — затрубиая цементировка; 8 — под — башмачная цементировка; 5 —пробка; 1 — песрк; 11— глина; 111 — известняк

водоносных горизонтов; 4) — способа крепления и материала ис­пользуемых обсадных труб; 5) необходимости проведения це­ментации затрубного пространства колонн обсадных труб;

6) возможного срока службы данной скважины.

Наиболее распространенные конструкции фильтровых сква­жин (рис. 9.7): 1) с надфильтровой трубой выходящей на по­верхность (рис. 9.7,а); 2) с надфильтровой трубой, устанавли­ваемой «впотай» (рис. 9.7,6); 3) конструкции скважин, пред­ставляющие собой комбинации указанных типов (рис. 9.7,в).

Надфильтровая труба, выходящая на поверхность, может выполнять роль эксплуатационной колонны. При необходимости цементирования затрубного пространства используется метод манжетной цементации. Наличие дополнительной технической колонны, как и в других случаях, определяется сложностью геологического разреза, необходимостью изоляции вышераспо — ложенного горизонта и т. д. По такому типу чаще всего стро­ятся конструкции: а) скважии-иглофильтров; б) гидронаблю­дательных скважин; в) поисково-разведочных; г) эксплуатаци­онных, в которых не предполагается установка водоподъемных насосов с большими поперечными размерами.

Одноколонная конструкция обычно рекомендуется в усло­виях, когда срок службы скважин не превышает 10—15 лет.

Надфильтровая труба устанавливается «впотай» в эксплуа­тационной колонне (см. рис. 9.7,6). Такие скважины чаще при­меняются для целей водоснабжения, орошения, осушения и т. д. В иих можно разместить водоподъемные насосы с большой по­дачей, характеризующиеся большими поперечными размерами. Данная конструкция скважин обеспечивает более легкую за­мену старого фильтра новым. Цементирование затрубного про­странства эксплуатационной колонны при необходимости может быть произведено методом одной или двух пробок. При цемен­тировании только нижней части эксплуатационной колонны ис­пользуют метод заливочных трубок.

Комбинированная конструкция скважин применяется тогда, когда необходимо эксплуатировать одновременно несколько водоносных горизонтов.

Вообще конструкции скважин на воду разнообразны и дол­жны в каждом конкретном случае учитывать все гидрогеологи­ческие условия, быть технологически осуществимыми и эконо­мичными.

Конечный диаметр скважин на воду определяется типом фильтра и его наружным диаметром, который может быть най­ден по формуле С. К — Абрамова

Лф = 117,58^3

^рГ

где /)ф — наружный диаметр фильтра, мм; <2— дебит скважины, м3/ч; /р — длина рабочей части фильтра, м; йф—-коэффициент фильтрации, м./сут.

При мощности водоносного горизонта более 5 м диаметр фильтра можно определить по формуле

£>Ф = ^Р, (9.8)

где а — опытный коэффициент, зависящий от характера породы

и коэффициента фильтрации. Значение коэффициента а дано

в табл. 9.3. Для значений кф, отличных от приведенных, вели­

чину а следует находить путем интерполяции.

Скважины с водоприемной частью в виде дырчатых или сет­чатых фильтров без обсыпки их гравием имеют минимальный конечный диаметр. При применении фильтров с гравийной за­сыпкой конечный диаметр скважин увеличивается на 50—100 мм

Породы

Значение коэффициента фильтрации И, м/сут

Значение коэффициента а

2—5 5—15 15—30 30—70

90 60 50 30

Песок мелкозернистый Песок среднезернистый Песок крупнозернистый Гравий

и более по сравнению со скважинами, оборудованными фильт­рами других конструкций.

В некоторых случаях конструкция скважин определяется типом, размерами и местом установки водоподъемного обору­дования, используемого для опытных откачек и водопонижения. Для этого применяются разнообразные водоподъемные, устрой­ства: а) поверхностные центробежные насосы; б) погружные: 1) глубинные артезианские центробежные насосы; 2) эрлифты;

3) водоструйные насосы; 4) штанговые поршневые,- Выбор типа водоподъемника определяется потребным дебитом и положе­нием динамического уровня воды в скважине.

При установке насоса в фильтре, диаметр его, а соответст­венно. и конечный диаметр скважины будут зависеть от раз­меров насоса. При установке насоса над фильтром, в эксплуа­тационной колонне, диаметр ее, называемый эффективным, также определяется поперечными размерами насоса.

Для облегчения монтажа насоса, производства ремонтных работ и наблюдений за положением динамического уровня в скважине величину зазора между наружным и внутренним диаметрами эксплуатационной колонны принимают до 50 мм. Однако значительное увеличение эффективного диаметра — при­водит к утяжелению конструкции скважины и удорожанию сто­имости работ. Во всех случаях конструкция скважины должна обеспечивать получение необходимого количества воды при ми­нимальном снижении статического уровня.

В остальном выбор и расчет конструкции скважин на воду осуществляются так же, как и скважин, проходимых на нефть или газ, т. е. с учетом применяемых типов и размеров долот, их соотношения с обсадными трубами, с расчетом на тампопажные работы.

Расчет конструкции скважин на воду с установкой фильтра «впотай» осуществляется в следующей последовательности.

1. Определяется конечный диаметр долота под фильтровую колонну:

ф. гпах*

(9.9)

где Дфтах — максимальный диаметр фильтровой трубы по му­фте Дф. м (£>фтах=.С, ф. м) или по наружному диаметру прово­лочной или сетчатой обмотки фильтра (рис. 9.8).

При применении гравийных фильтров с обсыпкой и блоч­ных

£)д. ф = £>ф + 2б, при б! <; 50—100 мм и более.

2. Находится внутренний диаметр труб эксплуатационной колонны Аж. вр:

Оэк. вн = 1>ф + 2б2, при 62 < 50 мм, (9.10)

где бг — зазор между эксплуатационной и надфильтровой тру­бами, определяемый типом и устройством сальникового уплот­нения.

Для того чтобы песок и другие частицы пород не попадали в скважину, кольцевой зазор между иадфильтровыми трубами, установленными «впотай», и обсадными трубами уплотняют специальными сальниками, конструкция которых определяется материалом, из которого они изготовляются. В качестве послед­него используются дерево, пенька, резина и др.

Иногда фильтр при посадке с одновременной промывкой во­дой обсыпается гравием или крупным песком. Тогда вместо сальника в зазор между надфильтровой и обсадной трубами засыпается крупный гравий. В некоторых случаях это простран­ство цементируется.

Надфильтровая труба при установке ее впотай должна вво­диться в эксплуатационную колонну выше башмака последней до 5 м.

3. Определяется диаметр долота под эксплутационную ко­лонну труб:

А>к = А? к.м + 26з при б3=15—50 мм, (9.11)

где бз — зазор между стенками скважины и наружной поверх­ностью эксплуатационной колонны (соединительных муфт).

Чем больше опасность грифообразования, тем больше преду­сматривается толщина создаваемого за эксплуатационной ко­лонной цементного кольца.

4. Внутренний диаметр направляющей трубы Д,. вн рассчи­тывается из условия

Д|. вн = Аж 264 при 64 < 3—8 мм, (9.12)

где 64 — зазор между долотом, используемым для бурения ин­тервала скважины под эксплуатационную колонну и внутрен­ней поверхностью направляющей трубы.

5. Диаметр долота под направляющую трубу

£н = Б„.м + 265 при 65 = 63 (9.13)

(в том случае, если предусматривается цементация затрубного пространства).

При расчете по формулам (9.10 и 9.12) получаются расчет­ные значения внутренних диаметров эксплуатационной и на-

правляющей труб. По этим значениям (бесшовные стальные трубы муфтового соединения — ГОСТ 632—80; тонкостенные трубы ниппельного соединения — ГОСТ 6238—77; бесшовные

горячекатаные стальные трубы — ГОСТ 8732—78; асбестоцемент­ные трубы —ГОСТ 539—80, а так­же трубы из термопластов по МРТУ; 6-05-918—67; 6-05-917—67 и по ТУ 38-2-54—69) находятся фак­тические ближайшие их внутренние и наружные диаметры.

Рис. 9.8. Схема для расчета конструкции скважины:

Рис. 9.9. Бесфильтровые скважины: а — в скальных трещиноватых породах; б — в рыхлых неустойчивых породах; 1,2 — цементное кольцо; 3 — эксплуатационная колонна 6 ^

•7-п

1 — отстойник; 2 — фильтр; 3 — сальниковый уп­лотнитель; 4 — эксплуатационная колонна обсад­ных труб; 5 — направляющая труба; /—глина; // — песок

Фактические размеры долот, ближайшие большие, устанав­ливаются по расчетным значениям, полученным по формулам

(9.9) ; (9.11) и (9.13) в соответствии с отраслевой нормалью; 0826-02-128—69, Н26-02-88—69, Н26-02-88—68; Н554—61;

Н968—64.

Типы долот выбираются применительно к конкретным гео­логическим условиям.

Бесфильтровые скважины (рис. 9.9) создаются в скальных трещиноватых, но устойчивых породах (рус. 9.9,а) и реже

в рыхлых неустойчивых породах, представленных мелкозерни­стыми песками. Сооружение последних возможно только при: I) наличии в кровле водоносного горизонта устойчивых по­род; 2) большой высоте напора; 3) сравнительно большом удельном дебите. В этом случае скважиной вскрываетя только верхняя часть водоносного горизонта (рис. 9.9,6). При этом башмак эксплуатационной колонны углубляется не более чем на 0,5 м ниже кровли в водоносный горизонт. Вокруг ствола скважины путем откачки или размывом искусственно образу­ется каверна, объем которой Ук рассчитывается по объему вы­мытого из нее песка:

УК = УЛ, (9.14)

где £ — коэффициент разрыхления для песка, принимается рав­ным 1,05—1,15.

Глубина каверны Нн может быть найдена из формулы

(9-15)

лДк

где — допустимый радиус каверны, устанавливается из ус­ловия устойчивости кровли, м:

^ Рв^стг-^щах)/ (д16)

О — «) Рв + Рп

где рв — плотность воды, кг/м3; рп — плотность породы кровли, кг/м3; Лст—статический уровень воды (до понижения), м; 5шах — максимальная величина понижения уровня воды, м; п — пористость породы кровли (в долях единицы); / — коэффи­циент крепости пород кровли по Протодьяконову.

Получаемый при этом дебит скважины находится по урав­нению

<2 = збоолидя«л/х + 1ё2ф, (9.17)

где (2 — наибольший дебит скважины, м3/ч; ср — угол естествен­ного откоса породы в воде, для мелкого илистого песка tgф = = 0-^0,27; % — допустимая выходная скорость фильтрации, м/с.

В случае недостаточной устойчивости породы в кровле ка­верна может быть заполнена гравием, размер которого (в 10— 15 раз) больше среднего диаметра частиц песка.

При бесфильтровой скважине связь между диаметром водо­приемной части скважины и дебитом для напорных скважин ориентировочно может быть оценена по формуле Дюпюи

<2 = 1,36&ф * (9-18)

^ Я/г

где б? — дебит скважины, м3/сут; — коэффициент фильтра­ции, м/сут; Л — мощность водоносного горизонта, м; 5 — пони­жения уровня воды при огкачке, м; Я — радиус влияния сква­жины, определяемый опытным путем: м; г—радиус водоприем — нрй части скважины, м.

Конструкции глубоких скважин на минеральные и термаль­ные воды чаще всего многоколонные. Они близки к конструк­циям, создаваемым на нефть и газ, и имеют: направление, кон­дуктор, техническую (одну или несколько) и эксплуатацион­ную колонны.

Глубина спуска кондуктора или промежуточной колонны в зависимости от того, на какой колонне труб устанавливается превентор, определяется по формуле

Ь>ртах/ор, (9.19)

где £ — глубина спуска колонны труб для безопасного вскрытия напорных горизонтов, м; ртах — наибольшей пластовое давле­ние жидкости и газа в герметизированной скважине, МПа; ор—градиент давления разрыва пластов, ориентировочно, на­пример, для Пятигорского месторождения минеральных вод Ор~0,03—0,035 МПа/м.

В условиях агрессивных пластовых вод трубы для эксплуа­тационных колонн выбирают из антикоррозионного материала.

Особые требования предъявляются и к цементам, применяе­мым для цементирования колонн обсадных труб. Так, например, при цементировании скважин на минеральные воды, содержа­щие углекислый газ и ионы сульфата, рекомендуется использо­вать пуццолановый, глиноземистый цементы, шлакопортланд — цементы и др. В условиях магнезиальной агрессии — цементы с магнезитом. Для хлоридно-натриевых вод, например,— гли­ноземистый цемент, для сульфатных вод — сульфатостойкий це­мент или гипсо-глиноземистый.

Современные конструкции геотермальных скважин можно разделить на две группы: 1) с охлаждением парожидкостной системы в скважине; 2) с предварительным охлаждением про­мывочного раствора на поверхности. Первая группа характерна для термальных вдд небольших глубин, но с температурой до 250 °С. Охлаждение пароводяной смеси производят в скважнне путем закачивания воды с температурой 6—10 °С в простран­ство между двумя смежными колоннамн обсадных труб: на­правляющей и вспомогательной, из которых внутренняя ко­лонна имеет фильтр длиной 3,5—4,5 м. Вода через фильтр по­падает в ствол и, смешиваясь с поднимающимся с забоя паровым потоком, охлаждает его.

Вторая группа скважин характерна для глубокозалегающих термальных вод, по конструкции близких к скважинам, соору­жаемым на нефть и газ. В них часто эксплуатационная колонна подвешивается в виде хвостовика к промежуточной колонне. В условиях значительных температурных напряжений она работает подобно шлицевому соединению. Кроме того, такая конструкция позволяет в верхней части скважины разместить насосы больших габаритов, используемых для откачки горячего концентрированного рассола.

Резьбу в соединениях эксплуатационной и фильтровой ко­лонн рекомендуется иметь трапецеидальной. Материал труб должен быть стойким к воздействию агрессивной среды с высо­кой температурой. Прочность на растяжение обсадных труб

Рис. 9.10. Графики функции: шах ф! _ тах <р2 а — 1; к а = 0,4 для всех линий: б— — 0,01; 2 — Ла«0,1, 3 — ка=0,2, 4 — ка =0,3, 5 А;а=0,4, € — £а = 0.6, 7 — ка=

в геотермальных скважинах снижается из расчета 2,5 МПа при росте температуры на 1 °С.

Цементирование колонн обсадных труб производится по­добно аналогичным работам, проводимым в нефтяных и газо­вых скважинах с высокой температурой. Для этой цели ре­комендуется применять смесь силикатной муки (20—50 %) с цементом или со смесью цементов, один из которых перлито­вый в соотношении 1 : 1. В раствор вводятся: замедлитель схва­тывания и добавки для снижения гидравлических сопротивле­ний. Количество силикатной муки увеличивают с ростом тем­пературы в скважине. В некоторых случаях перед цементированием для снижения температуры в скважину за­ливают холодную воду. При цементировании в зоне продуктив­ного на сухой пар пласта используют смесь портландцемента с пуццолановым (2:1) с добавкой до 30 % силикатной муки и замедлителя схватывания.

Конструкции скважин, сооружаемых в вечномерзлых гор­ных породах на межмерзлотные и подмерзлотные воды, могут сооружаться по любому из ранее рассмотренных способов. Осо­
бые условия должны быть выполнены при цементировочных ра­ботах.

Успешное цементирование колони обсадных труб в вечно­мерзлых горных породах может быть проведено при условии, что в процессе гидратации цементного раствора не произойдет протаиваиие льда. Поэтому цементные и тампонажные ра­створы, а также используемые современные способы интенси­фикации их твердения не должны вызывать растепления мерз­лых пород в стенках скважин, цементирующим материалом ко­торых служит лед.

Чтобы не произошло протаивания пород при цементирова­нии затрубного пространства, должно быть выполнено условие, определяемое следующим неравенством:

1 — Q max q)t

0„ <————— 1————————————— (9.20)

шах (р2 L

при

0 = ———т*. И Q =—СцР’

Тц ср (— Т п)

где Тп — температура пород, °С; Тц—начальная температура цементного раствора, °С; сц — содержание цемента в растворе, кг/м3; ф’ — полное тепловыделение цементного раствора, Дж/кг; с —удельная теплоемкость раствора, Дж/(кг-К); р — плот­ность раствора, кг/м3.

Функции гпахф! и шахф2 могут быть найдены по графикам

I £

(рис. 9.10). Значения их даны для различных коэффициентов и к% представляющих собой отношение коэффициентов тем­пературопроводности и теплопроводности цементного раствора и пород соответственно, т. е.

ка = ац/ап и кк = 1Ц/1П.

Для таких пород следует применять цементные и тампоиаж — ные растворы с низкой теплотой гидратации, отличающиеся низкой теплопроводностью. Рационально введение в них низко­теплопроводных добавок, в некоторых случаях — применение аэрированных цементных растворов. ‘

Комментарии запрещены.