Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Скважины на воду могут быть фильтровыми и бесфильтровыми при соотношении примерно 1:1.

Фильтровые скважины применяют 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 последнего до 10 м длину его рабочей части выбирают равной мощности пласта. Длину отстойника — глу­хой трубы или трубы со специальными вырезами — принима­ют не менее 2 м.

Конструкция фильтровой скважины определяется в основ­ном целевым назначением и гидрогеологическими условиями: глубиной скважины, уровнем воды в ней, размерами и конст­рукцией фильтра. Однако конкретные ее параметры — число колонн обсадочных труб (одно — или многоколонная), их диа­метры и глубины спуска — зависят от ряда факторов: типа водоподъемного насоса, способа бурения, числа вскрываемых водоносных горизонтов, способа крепления и материала ис­пользуемых обсадных труб, необходимости цементирования затрубного пространства колонн обсадных труб, возможного срока службы данной скважины. Наиболее распространены

Рис. 20.4. Схема конструкции фильтровой колонны: 1 — кондуктор; 2 — эксплуатационная колонна; 3 — фильтр; 4 — вспомогатель­ная временная колонна; 5 — сальник; 6 — муфта с левой резьбой; 7,8- це­ментный камень (затрубное и подбашмачное цементирование соответствен­но); 9 — пробка; I — песок; II — глина; III — известняк

конструкции фильтровых скважин с надфильтровой трубой, выходящей на поверхность (рис. 20.4, а), или устанавливае­мой «впотай» (рис. 20.4, б), а также конструкции, представ­ляющие собой комбинацию указанных типов (рис. 20.4, в).

Надфильтровая труба, выходящая на поверхность, может выполнять роль эксплуатационной колонны. При необходимо­сти цементирования затрубного пространства используют ме­тод манжетного цементирования. Наличие дополнительной промежуточной колонны определяется сложностью геологиче­ского разреза, необходимостью изоляции вышерасположенно — го горизонта и т. д. По такому типу чаще всего строят скважи­ны-иглофильтры, гидронаблюдательные, поисково-разведочные и эксплуатационные скважины, в которых не предполагается установка водоподъемных насосов большого диаметра.

Одноколонная конструкция рекомендуется, как правило, когда срок службы скважин не превышает 10-15 лет.

Надфильтровую трубу устанавливают «впотай» в эксплуата­
ционной колонне (см. рис. 20.4, б). Такие скважины чаще при­меняют для водоснабжения, орошения, осушения и т. д. В них можно разместить водоподъемные насосы с высокой подачей, имеющие большие поперечные размеры. Данная конструкция 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 ее части используют метод заливочных трубок.

Комбинированную конструкцию применяют 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:

(20.1)

где £)* — наружный диаметр фильтра, мм; О — дебит скважи­ны, м /ч; 1Р — длина рабочей части фильтра, м; кф — коэффи­циент фильтрации, м/сут.

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

(20.2)

где а — опытный коэффициент, зависящий от характера по­роды и коэффициента фильтрации (табл. 20.3). Для значений кф, которые отличаются от приведенных, величину 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 гравий-

Таблица 20.3

Порода

Коэффициент а

Коэффициент фильтрации, м/сут

Песок:

2-5 5-15 15-30 30-70

90 60 50 30

мелкозернистый

среднезернистый

крупнозернистый

Гравий

ной засыпкой конечный диаметр скважин увеличивается на 50-100 мм и более по сравнению со скважинами, оборудован­ными фильтрами других конструкций.

В некоторых случаях конструкция скважины определяется типом, размерами и местом установки водоподъемного обо­рудования, используемого для опытных откачек и водопони — жения. Для этого применяют поверхностные и погружные (глубинные артезианские) центробежные насосы, эрлифты, водоструйные и штанговые поршневые насосы. Выбор типа водоприемника определяется требуемым дебитом и динами­ческим уровнем воды в скважине.

При установке насоса в фильтре диаметр его и соответст­венно 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, его ремонта и наблюдений за изменением уровня воды в скважине зазор между наруж­ным диаметром насоса и внутренним диаметром эксплуатаци­онной колонны принимают до 50 мм. Однако значительное увеличение эффективного диаметра приводит к утяжелению конструкции и удорожанию 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 осуществляют так же, как и скважин на нефть и газ, т. е. с учетом применяемых типов и размеров долот, их соотношения с обсадными трубами, с расчетом на тампонажные работы.

Пример. Расчет конструкции скважин на воду (рис. 20.5).

1. Определяют конечный диаметр долота под фильтровую колонну:

Д, ф = Дотах, (20-3)

где Оф тах — максимальный диаметр фильтровой трубы по муфте Дф.„(Оф тах = Г>ф.„) или по наружному диаметру прово­лочной или сетчатой обмотки фильтра.

При применении гравийных фильтров с обсыпкой и блоч­ных £>ф. м = Д, + 281 при 81 = 50-5-100 мм и более.

2. Находят внутренний диаметр труб эксплуатационной колонны:

Дж. вн = Д > + 282 при 82 < 50 мм, (20.4)

где 82 — зазор между эксплуатационной и надфильтровой тру­бами, определяемый типом и устройством сальникового уп­лотнения.

Рис. 20.5. Схема к расчету конст­рукции скважины:

1 — отстойник; 2 — фильтр; 3 — сальниковый уплотнитель; 4 —

эксплуатационная колонна обсад­ных труб; 5 — направляющая тру­ба; 1 — глина; II — песок

Чтобы песок и другие частицы пород не попадали в сква­жину, кольцевой зазор между надфильтровыми трубами, ус­танавливаемыми «впотай», и обсадными трубами уплотняют специальными сальниками; их конструкция определяется ма­териалом, из которого они изготовлены (дерево, пенька, ре­зина и др.).

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

Надфильтровую трубу при установке ее «впотай» следует вводить в эксплуатационную колонну выше башмака послед­ней до 5 м.

3. Определяют диаметр долота под эксплуатационную ко­лонну:

Яд-эк = А. К.М + 25з при 83 = 15+45 мм, (20.5)

где 53 — зазор между стенками скважины и наружной по­верхностью эксплуатационной колонны (соединительных муфт). Чем больше опасность грифонообразования, тем большей предусматривается толщина создаваемого за экс­плуатационной колонной цементного кольца.

4. Внутренний диаметр направляющей трубы £>н. Вн рассчи­тывают из условия

Амш = Аэк + 254 при 54 = 3-ь5 мм, (20.6)

где 54 — зазор между долотом, используемым для бурения ин­тервала скважины под эксплуатационную колонну, и внут­ренней поверхностью направляющей трубы.

5. Диаметр долота под направляющую трубу

Яд. н = Оим + 285 при б5 = 53 (20.7)

(в том случае, если предусматривается цементирование за — трубного пространства).

По формулам (20.4) и (20.6) получают расчетные значения внутренних диаметров эксплуатационной и направляющей труб. По этим значениям (трубы бесшовные стальные муфто­вого соединения, тонкостенные ниппельного соединения, бесшовные горячекатаные стальные, асбестоцементные, а также трубы из термопластов) находят фактические ближай­шие их внутренние и наружные диаметры.

Фактические размеры долот (ближайшие большие) уста­навливают по расчетным значениям, полученным по формулам

Рис. 20.6. Схема конструкции бесфильтровой скважины: 1,2- цементное кольцо; 3 — эксплуатационная колонна

(20.3) , (20.5)—(20.7) и в соответствии с отраслевой нормалью. Типы долот выбирают применительно к конкретным геологи­ческим условиям.

Бесфильтровые скважины (рис. 20.6) создают в скальных трещиноватых, но устойчивых породах (рис. 20.6, а), а также в рыхлых неустойчивых породах (рис. 20.6, б). Сооружение последних возможно только при наличии в кровле водоносно­го горизонта устойчивых пород, при большой высоте напора и сравнительно большом удельном дебите. В этом случае скважиной (рис. 20.6, б), башмак эксплуатационной колонны углубляют не более чем на 0,5 м ниже кровли в водоносный горизонт. Вокруг ствола скважины путем откачки или размы­ва искусственно образуется каверна, объем которой Ук рас­считывают по объему вымытого из нее песка Уп:

V* = ОД, (20.8)

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

где Кк — допустимый радиус каверны, устанавливаемый из условий устойчивости кровли, м;

рв и рп — плотности воды и породы кровли, кг/м3; hCT — стати­ческий уровень воды (до понижения), м; smax — максимальное понижение уровня воды, м; Я — пористость породы кровли, доли единицы; / — коэффициент крепости пород кровли по Протодьяконову.

Получаемый при этом дебит скважины находят по уравне­нию

(20.11)

О = 3600яудЯ^ -Jl + tg2(p,

где О — наибольший дебит скважины, м3/ч; ср — угол естест­венного откоса породы в воде, для мелкого илистого песка 1дср = 0+0,27; уД — 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:

(20.12)

где О — дебит скважины, м3/сут; кф — коэффициент фильтра­ции, м/сут; Л — мощность водоносного горизонта, м; я — по­нижение уровня воды при откачке, м; Я — радиус влияния скважины, определяемый опытным путем, м; г — радиус водо­приемной 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, промежуточную (одну или несколько) и экс­плуатационную колонны.

Глубину спуска кондуктора или промежуточной колонны в зависимости от того, на какой колонне труб устанавливают превентор, определяют по формуле

Н > Ртах/<*р> (20.13)

где Н — глубина спуска колонны труб для безопасного вскры­тия напорных горизонтов, м; ртах — наибольшее пластовое давление жидкости и газа, МПа; ар — градиент давления раз­рыва пластов (например, для Пятигорского месторождения минеральных вод стр я 0,03-0,035 МПа/м).

В условиях агрессивных пластовых вод для эксплуатацион­ных колонн рекомендуется применять трубы из антикорро­зийного материала.

Особые требования предъявляют и к цементам: например, при цементировании скважин на минеральные воды, содер­жащие углекислый газ и ионы сульфата, рекомендуют пуццо — лановый, глиноземистый цементы, шлакопортландцементы и др., в условиях магнезиальной агрессии — цементы с магнези­том, для хлоридно-натриевых вод — глиноземистый цемент, для сульфатных — сульфатостойкий или гипсоглиноземистый.

Глубокие геотермальные скважины по конструкции близки к скважинам, сооружаемым на нефть и газ. В них часто экс­плуатационную колонну подвешивают в виде хвостовика к промежуточной колонне. В условиях значительных темпера­турных напряжений она работает подобно шлицевому соеди­нению. В соединениях эксплуатационной и фильтровой ко­лонн рекомендуется трапецеидальная резьба. Материал труб должен быть стойким к воздействию агрессивной среды с высокой температурой. Прочность на растяжение обсадных труб в геотермальных скважинах снижается из расчета 2,5 МПа при росте температуры на 1 °С.

Цементирование колонн обсадных труб производят анало­гично случаю нефтяных и газовых скважин с высокой темпе­ратурой. Рекомендуется применять смесь силикатной муки (20-50 %) с цементом или смесью цементов, один из которых перлитовый, в соотношении 1:1. В раствор вводят 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 зону продуктивного на сухой пар пласта используют смесь портландцемента с пуццолановым (2:1) с добавкой до 30 % силикатной муки и замедлителя схватывания.

В многолетнемерзлотных горных породах скважины на межмерзлотные и подмерзлотные воды можно сооружать по любому из ранее рассмотренных способов, а успешное це­ментирование колонн обсадных труб обеспечивается при ус­ловии, что в процессе гидратации цементного раствора не произойдет протаивания льда. Поэтому цементные и тампо — нажные растворы, а также применяемые способы интенси­фикации их твердения не должны вызывать растепления мерзлых пород в стенках скважин, цементирующим материа­лом которых служит лед.

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

При бурении на воду приходится иметь дело с агрессив­ными (корродирующими) водами. Поэтому наряду со сталь­ными трубами для крепления находят широкое применение неметаллические трубы.

Асбоцементные трубы изготовляют из смеси портландце­мента (85 %) и асбеста (15 %). Для крепления скважин приме­няют трубы марки ВТ-3, ВТ-6 и ВТ-12, рассчитанные на дав­ление 0,6; 0,9 и 0,12 МПа. Предел прочности асбоцементных труб при сжатии 15 МПа, при растяжении 15,5 МПа. Плот­ность материала труб 2500 кг/м. Асбоцементные трубы ра­ционально использовать в скважинах, проходимых враща­тельным способом. Зазор между трубами и стенками должен быть не менее 50 мм. В зависимости от действующей нагруз­ки (сжатие, растяжение) возможны два типа соединений ас­боцементных труб: работающие на растяжение и на сжатие. Трубы первого типа предназначены для скважин глубиной до 150 м, трубы второго типа — для скважин глубиной до 400 м (обычно их спускают на бурильной колонне). Между собой трубы соединяют либо без резьбы — металлическими наклад­ными муфтами и кольцами, либо на резьбе — муфтами из ме­талла, асбоцемента.

Пластмассовые трубы характеризуются малой массой и высокой стойкостью против коррозии — выше стойкости вы­соколегированных антикоррозийных сталей лучших марок. Такие пластмассы, как поливинилхлориды и полиэтилены, химически устойчивы и к органическим, и к неорганическим соединениям. Поливинилхлоридные трубы можно подвергать любой механической обработке — фрезеровать, строгать, на­резать на них резьбу и т. д. Пластмассовые трубы имеют на­ружные диаметры от 40 до 450 мм, соединяются между собой на резьбе, термической сваркой встык (наиболее прочное со­единение), склеиванием и методом трения.

В условиях сильной агрессивности вод пластмассовые или асбоцементные трубы спускают в скважину внутрь стальных; применяют также трубы из нержавеющей стали марки Х18Н10Т.

Стеклопластиковые трубы изготавливают из пластмасс, армированных стекловолокном. Они отличаются очень высо­кой плотностью, достигающей прочности сталей, коррозион — но устойчивы. Масса стеклопластиковых труб в 2,5-4 раза меньше, чем стальных, поэтому они могут быть использованы в отдаленных районах, в частности на Крайнем Севере.

Оборудование устья скважины зависит от статического уровня воды, типа и размера используемого насоса. Для ос­нащения скважины при низком статическом уровне к опор­ному фланцу, приваренному к обсадной трубе, присоединяют нижний фланец насоса или сальник центробежного верти­кального насоса либо устанавливают оголовок. Над устьем самоизливающейся скважины к обсадной колонне труб при­соединяют оголовок с отводным коленом и задвижкой. К центробежному насосу подводят всасывающий патрубок. При оборудовании устья фонтанирующей скважины без насоса устраивают оголовок, обеспечивающий регулирование подачи воды к потребителю, а также предотвращающий возможные гидравлические удары.

Комментарии запрещены.