Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Гравийные фильтры для скважин вращательного бурения

Большое количество скважин, пробуренных вращательным методом и оборудованных сетчатыми фильтрами против пыле­ватых и тонкозернистых песков, долго пескуют как при пробной откачке, так и в процессе эксплуатации. Такие скважины быстро засоряются, в результате чего глубоководные центро­бежные насосы часто выходят из строя. Даже самые мелкие сетки галунного «плетения не в состоянии предотвратить проника­ние песков в ствол скважины.

Практика показала, что наиболее надежными фильтрами для оборудования окважин против водоносных пылеватых и тонко­зернистых песков являются гравийные. В скважину, закончен­ную вращательным бурением и заполненную глинистым раство­ром, произвести гравийную засыпку обычным методом (с по­верхности земли) невозможно. Поэтому гравийные фильтры из­готовляют на поверхности земли и спускают в скважину в гото­вом виде.

Однослойный гравийный фильтр. На перфорированной трубе изготовляется фильтрующая поверхность либо из проволоки, либо из сетки галунного, киперного или квадратного плетения.

Для изготовления проволочной фильтрующей по­верхности (рис. 13) рекомендуется мягкая проволока из нержавеющей стали диаметром 2—3 мм.

Каркас 1 (перфорированная труба) спирально обматывается проволокой 2 поверх восьми продольно проложенных проволок 3 того же диаметра. Намотка проволоки на каркас может произ­водиться как машинным способом, так и вручную. Расстояние между витками должно соответствовать диаметру зерен гравий­ной засыпки. На фильтрующую поверхность каркаса надевается чехол 4 из сетки квадратного плетения, нижний конец 5 которого прочно закрепляется на каркасе.

Во время засыпки гравия чехол должен быть плотно натянут. Засыпку производят в кольцевое пространство между фильтрую­щей поверхностью каркаса и чехлом. Одновременно легкими ударами деревянного молотка засыпку уплотняют. По мере за­полнения чехла гравием каркас постепенно опускается в сква­жину. По окончании заполнения чехла его верхний конец 6 прочно закрепляется на каркасе, а поверхность чехла обматы­вается проволокой 7, предохраняющей его от повреждений при спуске в скважину. Для центрирования фильтра в скважине к его муфтам привариваются направляющие ребра 8.

Для изготовления сетчатой фильтрующей поверх­ности ка каркас 1 (рис. 14) спирально наматывается про­волока 2 диаметром 2—3 мм с расстоянием между витками 15—25 мм; для того чтобы витки не смещались, проволока при­паивается к каркасу. Затем каркас обшивается сеткой квадрат­ного или галунного плетения 3. Поверх сетки каркас еще раз обматывается проволокой 4. Все последующие операции те же, что п при сооружении гравийного фильтра с проволочной филь­трующей поверхностью.

Примером удачного применения однослойного гравийного фильтра с сетчатой фильтрующей поверхностью может служить одна из скважин в районе г. Калуги. Изготовленный на поверх­ности земли фильтр был установлен на глубине 126—151 м против мелкозернистых и илистых водоносных песков (рис. 15).

До спуска гравийного фильтра утяжеленный глинистый рас­твор в скважине был заменен более жидким, с удельным весом 1,15. Каркас диаметром 6" был перфорирован отверстиями диа­метром 17 мм в количестве 625 шт. на 1 пог. м длины трубы и обмотан латунной проволокой диаметром 2 мм с расстоянием между витками 20—25 мм. Поверх проволоки каркас был об­шит сеткой галунного плетения № 6/70 и еще раз обмотан про­волокой. Затем на каркас был надет чехол из стальной сетки квадратного плетения размером 2X2 мм. Кольцевое простран­ство между чехлом и фильтрующей поверхностью каркаса было 30

Рис. 14. Однослойный гравийный фильтр с сетчатой поверхно­стью

Рис. 13. Однослой­ный гравийный фильтр с прово­лочной поверхно­стью

Рис 12. Соотношение ди­аметров скважины и фильтра при эксплуата­ции водоносных песков с прослоями глин

заполнено гравием, размером зерен 1,5—2,5 мм. Толщина за­сыпки 50 мм на сторону.

тром

При пробной откачке вода быстро осветлилась. Дебит воды соответствовал проектному.

В двухслойных гравийных фильтрах (рис. 16) фильтрующие поверхности на каркасе в большинстве случаев отсутствуют,

а диаметр отверстий в нем выбирается соответствующим диа­метру зерен засыпки второго слоя гравия.

На каркас 1 надевают отрезок чехла 2 длиной 1—1,5 м из металлической сетки квадратного плетения, нижний конец кото­рого прочно закрепляют на каркасе зажимом 3, устанавливают в нем промежуточный цилиндр 4 с направляющими ребрами 5 и приступают ж двухслойной засыпке гравия. Поверх чехла, на­полненного гравием, наматывают проволоку 6 и выдергивают промежуточный цилиндр. Затем надевают второй отрезок чехла, который сшивают проволокой с первым, и наполняют его гра­вием, как было описано выше.

Таким образом, последовательно наращивая отрезки чехла, достигают верхнего конца каркаса, где чехол прочно закреп­ляют зажимом 7. Верхнюю часть каркаса 8 оставляют глухой.

Благодаря, этому, несмотря на утруску и оседание гравийной засыпки в процессе эксплуатации скважины, не происходит об­нажения перфорированной части каркаса и связанного с этим пескования скважины.

Двухслойная гравийная засыпка производится над устьем скважины с постепенным опусканием каркаса в скважину.

После установки фильтра против водоносных песков немед­ленно приступают к промывке скважины чистой водой, тартанию желонкой и пробной откачке воды. Гравийная засыпка делает скважину долговечной.

Существенным недостатком гравийных фильтров с фильтрую­щими поверхностями на каркасной трубе является недостаточ­ная скважность их каркасов (в среднем равная 20—25%’)

Поверхность фильтра должна обеспечивать максимальный приток воды в скважину. Поэтому при оборудовании скважины вращательного бурения гравийными фильтрами необходимо стремиться к созданию поверхностей каркаса с максимальной скважностью. Кроме того, при сооружений окважин довольно часто приходится иметь дело с так называемыми нестабильными водами, химический состав которых изменяется под воздей­ствием различных факторов. При эксплуатации нестабильных вод гидроокись железа и соли кальция, выпадая в осадок, уменьшают размер проходных отверстий каркаса и со временем полностью их закупоривают. Это вызывает уменьшение дебита, а иногда выводит скважину из строя.. Отложения гидроокиси железа в фильтрах буровых скважин наблюдаются также при коррозии труб и фильтров, вызываемых углекислотой подземных вод или электрохимическими процессами, обусловленными при­менением в фильтрах различных металлов и присутствием в воде растворенного кислорода. Поэтому при эксплуатации под­земных нестабильных вод следует применять фильтры со значи­тельно большей скважностью.

1 Под скважностью каркаса понимается отношение суммарной площади проходных отверстий к общей поверхности фильтра в %

При бурении скважин на транспорте испытаны изготовлен­ные на поверхности земли однослойные гравийные фильтры с проволочной фильтрующей поверхностью, сооруженной на пер-

!	ХУ
С			N

Рис 17. Каркас­но-стержневой фильтр

Рис. 16. Двухслойный гравийный фильтр

форированной трубе со скважностью 20—25%. Полученные результаты следует считать вполне удовлетворительными.

Несмотря на это, применение фильтров с большей скваж­ностью может быть рекомендовано как безусловно полезное мероприятие, обеспечивающее увеличение срока службы сква — 34

жин, повышение удельного дебита воды в процессе их эксплуа­тации и применение обычных агрегатов для откачки воды.

Каркасно-стержневые фильтры обладают в отношении скваж­ности каркаса существенным преимуществом.

Рис 18 Конструкция скважины, оборудованной каркасно-стержне­вым фильтром

В 1949 г. В. М. Г’аврилко впервые предложил применять фильтры этой конструкции при сооружении скважин на воду ударным методом •.

Автором совместно с В. М. Гаврилко предложено применять каркасно-стержневые фильтры и при сооружении скважин на воду вращательным методом.

1 Подробное описание приведено в «Указаниях по изготовлению и вне­дрению каркасно-стержневых фильтров для водозаборных скважин» (ВОДГЕО, 1950)

В этих фильтрах скважность фильтрующей поверхности мо­жет быть увеличена до 50—60%. Фильтрующие поверхности на каркасно-стержневых фильтрах изготовляются либо из проволоки (рис. 17), либо из сеток галунного, киперного и квадратного пле­тения. На всю длину фильтрующей поверхности надевается че­хол из сетки квадратного плетения и кольцевое пространство между фильтрующей поверхностью и чехлом заполняется гра­вийной засыпкой.

Все операции по монтажу и спуску в скважину гравийного фильтра с опорным стержневым каркасом аналогичны опера­циям по опуску гравийного фильтра с опорным каркасом из дыр­чатой трубы.

На транспорте гравийный каркасно-стержневой фильтр впер­вые был применен в 1955 г. на одной из станций Куйбышевской

ж. д. (рис. 18). Необходимость установки такого фильтра в сква­жину была вызвана большим содержанием железа в воде (со­держание полуторных окислов в воде составляло 24 мг/л, т. е. 5,1 мг/л чистого железа). Для предотвращения электрохимиче­ской коррозии скважность гравийного каркасно-стержневого фильтра была доведена до 60%.

Как показал опыт, фильтры такой конструкции обладают до­статочной прочностью для спуска в скважину на глубину до 360—400 м.

Таким образом, применяемый нами комбинированный гравий­ный фильтр типа «Трансводстрой» является рациональным для оборудования скважин против водоносных песков, пробуренных вращательным методом.

Стержни для каркаса рекомендуется изготовлять из круглого железа диаметром не менее 16 мм, так как при обмотке проволо­кой более тонкие стержни прогибаются, что осложняет соору­жение ‘проволочной фильтрующей поверхности.

Гравийные фильтры для скважин ударного бурения

Опыт показал, что ряд скважин после сдачи в эксплуатацию вскоре выходит из строя. Причинами такой недолговечности яв­ляются быстрое истощение запасов водоносного пласта или не­удовлетворительная работа сетчатых фильтров. В последнем случае снижение дебита до полного выхода скважин из строя объясняется главным образом коррозией фильтров и связан­ными с нею процессами цементации, а также прониканием песка сквозь сетку галунного плетения.

В качестве примера засорения скважины песком можно при­вести скважины, пробуренные на ст. Челкар, Оренбургской ж. д.

Этот район характеризуется незначительным годовым коли­чеством осадков. Единственным источником водоснабжения здесь 36
является оз. Челкар, питающееся за счет весеннего снеготаяния в связи с чем в засушливые годы реальна возможность почти полного израсходования запаса воды в озере.

„Все сказанное послужило основанием для поисков в этом районе подземных источников водоснабжения. ‘В 1937 г здесь было пробурено до 40 мелких скважин глубиной до 25 м. Вода оказалась пригодной для литьевых и технических целей. Удель­ный дебит по скважинам колебался в ‘Пределах от 0,5 до

1

Песок желтый тон­козернистий, с глуби­на 4 м водоносный

Рис. 19. Конструкция скважины, оборудованной фильтром с трехслойной гравийной засыпкой

Описоние пород

Деш серый тонкозер­нистый пылеватый с прослойками серой пылеватой гл</кы ка глубине 40,5-43,0 чистый мелкозер­нистый /лина зеленоватая тонкослоистая пылева та», слюдистое с включе­нием крупной гальки

Однако вследствие прохождения барханных песков сквозь сетку фильтра и быстрого засорения ствола скважины эксплуатировались непродолжительное времй. Мероприятия по прекращению ‘проникания песка в скважины не дали положитель­ных результатов: скважины песковали и в момент пробной от­качки, и в процессе эксплуатации. Небольшое увеличение дебита вело к сильному прохождению песка в ствол скважины и засо­рению вытекающей на поверхность воды. В связи с зтим было решено заменить сетчатый фильтр гравийным путем создания вокруг ствола трехслойной гравийной засылки. Были заложены скважины с трехслойным гравий­ным фильтром следующей конструкции (см. рис. 19): обсад­ные трубы 2 диаметром 20" до глубины 38 м, колонна труб 3 диаметром 16" до глубины 45 м, колонна диаметром 12" до глу­бины 47 л и фильтр 1 диаметром 6" до глубины 54 м.

м?/час.

Опущенный в скважину фильтр представлял собой трубу диа­метром 6", длиной 29 м, перфорированную отверстиями размером 16—18 мм. Каркас фильтра был опаян сеткой галунного плете­ния № 14/100. Для более свободного движения воды в скважину на глубине 14—38 м в сетке были наколоты отверстия диаметром 3 мм и на глубине 38—43 м — диаметром 1 —1,5 мм.

Песчано-гравийная засыпка была осуществлена следующим образом:

1) от поверхности до глубины 38 м произведена трехслойная гравийная засыпка: первый слой частицами диаметром 0,5— 1,5 мм; второй слой 2—4 мм и третий 4—9 мм;

2) с глубины 38 до 43 м произведена двухслойная гравийная засыпка: первый слой частицами диаметром 0,5—1,5 мм и вто­рой слой 2—4 мм;

3) с глубины 43 до 54 м, т. е. до забоя, произведена засыпка смесью всех трех фракций.

Во избежание заклинки труб засыпку каждой фракции гра­вия производили небольшими порциями при одновременном из­влечении обсадных труб за каждый прием на 0,5—1 м. Затрата времени на засыпку гравия и главным образом на подъём об­садных труб зависела от диаметра последних. В среднем за смену удавалось поднять труб диаметром 20" 2—3 м, труб диаметром 16" 3—4 м и труб диаметром 12" 4—7 м.

По окончании бурения скважины была произведена пробная откачка воды. эрлифтом. Водоподъемные трубы диаметром 4" загружались на глубину 49 м; воздушные трубы диаметром 1" располагались внутри водоподъемных и для откачки опускались соответственно: для первого понижения на 18 м, второго—26 м и третьего — 44,4 м.

Осветление воды произошло в течение первых двух-трех часов откачки, и при максимальном дебите скважины в 36 мъ1час вы­носа мелкого песка при дальнейшей эксплуатации не наблюда­лось.

Устройство трехслойной гравийной засыпки исключило угрозу проникания барханных песков в ствол скважины и вполне оправ­дало замену сетчат’ых фильтров гравийными.

Как уже отмечалось, скважины, оборудованные сетчатыми фильтрами, часто выходят из строя вследствие коррозии фильт­ров и процессов цементации.

На транспорте при бурении скважин на воду встречались яв­ления электрохимической коррозии в буровых скважинах на не­которых станциях Горьковской ж. д. Каптированный водоносный горизонт приурочен здесь к толще аллювиальных песков мощно­стью до 50 м. Водоносные горизонты в большинстве случаев без­напорные, со статическим уровнем 2—10 м от поверхности земли. Производительность отдельных скважин колеблется от 10 до 40 м3/час. Вода вполне пригодна для технических целей, но су­щественным недостатком ее является высокое содержание окис — 38
лов железа. Вследствие явлений электрохимической коррозии содержащееся в воде железо постепенно осаждается на стенках сетчатого фильтра и уменьшает его отверстия. Заметное умень­шение дебита скважин наблюдается уже к концу первого года их эксплуатации, а через два-три года процессы электрохимиче­ской коррозии разрушают металлические сетча­тые фильтры.

Ствол скважины засоряется и поступление воды в нее постепенно прекращается. Много­численные попытки исправить и восстановить такие скважины оставались безрезультатными.

-я?

На ст. Новки для этой дели во внутрь ста­рых фильтров диаметром 8" были спущены новые сетчатые фильтры диаметром 5", после чего старые фильтры были извлечены. Как и предполагалось, вследствие коррозии они не имели уже отверстий для прохода воды. После испытания скважин с новыми фильтрами де­бит последних не увеличился; это привело к заключению, что ожелезнением захвачена и сфера естественного фильтра. Таким образом, аллювиальный водоносный горизонт на ст. Нов­ки, несмотря на большой запас воды, не обес­печивал постоянного дебита скважин вследст­вие несовершенства сетчатых фильтров. Устра­нить явление электрохимической коррозии в этих скважинах можно было заменой сетки галунного плетения гравийной засыпкой, но применение металлической перфорированной трубы не исключало процесса коррозии метал­ла под влиянием агрессивных вод.

Ш

Рис. 20. Фильтр из асбоцемент­ных труб

По предложению автора и Г. Я. Фертель сетчатые металлические фильтры были заме­нены неметаллическими с гравий­ной засыпкой. Материалом для фильтров был выбран асбоцемент. Сетка галунного пле­тения была заменена гравийной засыпкой. Ас­боцементные фильтры (рис. 20) с двухслойной гравийной засыпкой впервые были применены на Горьковской ж. д.

Асбоцементные трубы 1 длиной 4 м, вну­тренним диаметром 190 мм и толщиной стенок 15 мм соединялись друг с другом при помощи нарезки, сделанной на каждой трубе и металлических муфтах 2. К муфтам приваривались направляющие ребра для центрирова­ния фильтрационных труб в обсадных 3. Внутренняя и внешняя поверхности асбоцементных труб были покрыты антикоррозий­ным лаком, применение которого на вкусовых качествах воды не
отразилось. При нарезании резьбы на концах фильтрационных труб и при сверлении в них отверстий асбоцемент не крошился, сохраняя свою структуру. Во избежание обрыва асбоцементных труб в резьбе (под действием их собственного веса) при спуске их в скважину было применено специальное приспособление, при котором вся колонна асбоцементных труб опиралась на сталь­ную горизонтальную плиту 4, соединяющуюся в муфте 5, имею-

|ч

її |Ц_

Порода

~Г

Торф

V V V V

/ г

тем*$ (ерцО вяажн*/й~~иелмв

Песок теино-серого цвета танкозернис тый водоносный

Ж

■к :Л

я

I I ;\ I"« і

Песок темно-желто­го цвета иелкозер_ нистый водоносный

17

Песок желтого цвета мелкозернистый с при месью мелной гальки водоносный Песок ттм желтого цвета крупнозернистый с принесщ

Глино красная

г?

Рис. 21. Конструкция скважины, оборудованной асбо­цементным фильтром с двухслойной гравийной засып­кой

щей левую резьбу, со штангами б диаметром 48 мм. После посад­ки колонны асбоцементных труб на забой штанги в муфте от­вертывали и извлекали на поверхность. Затем приступали к гра­вийной засыпке.

На рис. 21 приведена конструкция скважины, оборудованной асбоцементным фильтром с двухслойной гра­вийной засыпкой.

В данном случае эксплуатационный водоносный горизонт при­урочен к четвертичным пескам и является безнапорным, мощ­ность его 21 м. До глубины 24 м бурение скважины велось в чет­вертичных отложениях, и скважина была обсажена колонной труб 1 диаметром 16", ‘башмак которых был задавлен в пермские 40
красные глины. На глубине 24—27 м бурение производилось в глинах долотом диаметром 153//’ без обсадки трубами, и эта часть скважины была засыпана крупным щебнем. Затем на глу­бину 24 м в скважину была спущена колонна труб 2 диаметром 12". Наконец, в забой скважины была опущена фильтровая асбоцементная колонна труб 3 диаметром 8", перфорированная отверстиями разкзром 5 мм, в количестве 3400 на 1 пог. м длины трубы. Фильтровая колонна была расположена на глубине 11,3— 23,8 м.

В скважине была произведена двухслойная гравийная засып­ка. Первый слой гравия 4 из частиц размером 1—4 мм был засы­пан в кольцевое пространство между колоннами труб диаметром 16" и 12" на интервале 10—24 м с одновременным подъемом труб диаметром 16" на высоту 12,7 м. Гравий засыпался неболь­шими порциями. Второй слой гравия 5 из частиц размером 6— 8 мм был засыпан в кольцегое пространство между трубами диа­метром 12" и 8" также на интервале 10—24 м с одновременным подъемом труб диаметром 12" на высоту 13 м.

Для установки над скважиной центробежного горизонталь­ного насоса был вырыт шурф 6 глубиной 3 м; обсадные трубы диаметром 16" ‘и 12" на этой глубине были срезаны.

Данная скважина эксплуатируется с 1950 г. при неизменном дебите.

Комментарии запрещены.