Проектирование скважин на воду

Вводные сведения

    Все буровые скважины по целевому назначению подразделяются на:

- поисково-картировочные,

- разведочные,

- разведочно-эксплуатационные,

- наблюдательные.

Поисково-картировочные  скважины бурятся на стадии съёмочных  работ и имеют целью уточнить геолого-гидрогеологическое строение изучаемой территории, наметить перспективные участки для более детальных исследований. Разведочные скважины позволяют изучить водоносные горизонты или комплексы. Из этих скважин отбираются образцы пород, в них проводятся опытно-фильтрационные и геофизические исследования. Если скважина после завершения разведочных работ сдаётся в эксплуатацию, то такие скважины называются эксплуатационными. Параметры таких скважин должны обеспечивать оборудование их насосом соответствующей производительности. Если разведочные скважины применяются на стадии предварительной разведки, то разведочно-эксплуатационные - на стадии детальной и эксплуатационной разведки. Наблюдательные скважины предназначены для измерения уровней во время проведения опытно-фильтрационных работ. Конструкция скважины зависит от её целевого назначения и горно-геологических условий. Поисково-картировочные скважины имеют простые конструкции, лишь верхний участок у устья крепится обсадной трубой, остальной ствол скважины трубами не обсаживается. В редких случаях, например, с целью изолирования интервалов интенсивного поглощения промывочной жидкости, ствол скважины может обсаживаться одной обсадной колонной. Диаметры поисково-картировочных скважин колеблются от 76 до 132 мм. Изоляция водоносных горизонтов осуществляется методами временного (глинистыми шариками) и постоянного тампонажа (цементным раствором).

    В конструкции скважины различают  направление (кондуктор), промежуточную (техническую) и эксплуатационную колонну. В неглубоких (до 100-150 м) скважинах техническая колонна может отсутствовать. Обсадные колонны эксплуатационных скважин обязательно цементируются. 

1. Цель проектируемых работ.

    Проект  бурения скважины на воду составляется на основании технического задания заказчика. В техническом задании заказчик должен точно указать место расположения скважины (на топографической карте района изысканий в масштабе 1 : 25 000 и крупнее), заявленную потребность в воде скважины, требования к качеству воды и сроки службы водозабора. Заказчик может оговорить так же предпочтительный материал обсадных и водоподъемных труб (нержавеющая сталь, пластик и т.д.),

    Пример1: необходимо пробурить две артезианские скважины (рабочая и резервная) для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Проектный дебит рабочей скважины с учётом расхода воды на наружное пожаротушение 40 . Скважины располагаются на расстоянии 8м друг от друга в одном помещении насосной станции. Вода должна соответствовать СанПиН 2.1.4.1074-01. 

2. Геологические сведения о районе проведения работ. 

2.1. Физико-географические условия участка изысканий и местоположение проектируемой скважины.

    В разделе "Физико-географические условия  участка изысканий и местоположение проектируемой скважины" следует  приводить краткую характеристику рельефа и геоморфологических особенностей участка, намечаемого для размещения скважины,     влияющих на гидрогеологические условия; обоснование выбора участка и места заложения скважины с учетом гидрогеологических условий и санитарных требований (удаленность от источников загрязнения, зон затопления и др.); абсолютную отметку и координаты точки заложения скважины (по топографическим картам 1: 25 000 и крупнее), расстояние от скважины до объекта водоснабжения; хозяйственное использование и техногенные изменения территории. 

2.2. Геологическое строение участка.

    В разделе "Геологическое строение участка" необходимо приводить характеристику геолого-литологического строения участка (предполагаемый разрез в намечаемой точке бурения) в стратиграфической последовательности сверху вниз с наибольшей детальностью в пределах проектной глубины скважины: условия залегания, мощность, строение, литологический или петрографический состав отдельных горизонтов (слоев) пород с выделением водовмещающих горизонтов пород и водоупорных слоев, а также других элементов геологической среды, влияющих на степень и характер обводненности пород. 

2.3. Гидрогеологические условия участка.

    В разделе "Гидрогеологические условия  участка" следует приводить характеристику выделенных в разрезе водоносных горизонтов, особенно детально - намечаемых к эксплуатации: глубину залегания кровли, подошвы, состав пород (процентное содержание преобладающей фракции рыхлых грунтов, степень трещиноватости скальных пород), предполагаемый (по фондовым материалам) дебит, удельный дебит, коэффициенты фильтрации, положения уровня и возможные их сезонные изменения, условия питания и другие данные, в том числе ориентировочные (по предварительным расчетам) границы зон санитарной охраны, а также химический и бактериологический состав подземных вод. В заключении делается краткий обзор опыта бурения и эксплуатации скважин на воду в изучаемом районе.

    При составления учебного проекта по бурению скважин на воду используется упрощённый план, первый и второй разделы проекта выдаются студенту в виде проектных данных, а третий разрабатывается в соответствии с содержанием учебного проекта. Важнейшей целью учебного проекта является составление геолого-технического наряда (технологической карты), основного документа по которому ведётся бурение, а также плана-графика работ. 

Содержание  учебного проекта.

1. Проектные данные.

2. Выбор способа бурения.

3- Выбор типа и конструкции фильтра.

4. Расчёт фильтра или полости бесфильтровых скважин.

5. Подбор насоса и диаметра эксплуатационной колонны.

6. Выбор конструкции скважины.

7. Выбор буровой установки.

8. Выбор бурового инструмента

9. Выбор типа промывочной жидкости.

10. Выбор параметров режима бурения.

11. Вскрытие и освоение водоносного горизонта (расчёт эрлифта).

12. Цементирование обсадных колонн.

13. Организация работ.

При бурении  разведочных скважин вместо пункта 11 следует включить раздел «Опробование водоносных пластов в процессе бурения». 
 
 

3. Специальная часть. 

3.1. Проектные данные.

Проектные данные включают в себя: геологический разрез, назначение скважины (эксплуатационная или разведочная), параметры водоносного горизонта (коэффициент фильтрации,  проектный дебит, статический уровень и понижение). 

3.2.Выбор способа бурения.

    В зависимости от целевого назначения и конкретных условий буровые скважины на воду сооружаются следующими способами: вращательным с прямой и обратной промывкой; вращательным без промывки (шнековым и ковшовыми бурами); ударно-канатным способом.

    В настоящее время наибольшее распространение получило вращательное бурение, производительность которого в 3-5 раз выше производительности ударно-канатного. Его рекомендуется применять в районах с изученными гидрогеологическими условиями. Но вращательное бурение с промывкой имеет весьма существенный недостаток - может вызвать закупорку пор и трещин водоносного горизонта, что требует дополнительных затрат времени и средств на возбуждение притока воды к скважине. Однако применение специальных растворов и новой технологии вскрытия водоносных горизонтов делает данный способ бурения скважин на воду наиболее эффективным.

В районах, недостаточно изученных в гидрогеологическом отношении, с низким пластовым давлением  и высокой проницаемостью (валуны, галечники, щебень), а также при  бурении скважин с большим  начальным диаметром (500-9О0мм) применяется ударно-канатное бурение на воду. Преимущество этого способа в том, что вскрываемые водоносные не засоряются и не кольматируются циркулирующим по скважине промывочным раствором. При этом легко устанавливаются все вскрываемые водоносные горизонты, обеспечивается высокое качество опробования водоносного пласта. Ударно-канатный способ позволяет получить большие дебиты, чем вращательный способ с  промывкой глинистым раствором.

    К недостаткам способа можно отнести: большой расход обсадных труб (что объясняется малой величиной выхода последующей колонны из-под башмака предыдущей, обычно 25-30 м); относительно малые глубины бурения (100-150м); низкие техническую и коммерческую скорости бурения; опасность уплотнения пород в зоне водоносного горизонта при неправильно выбранной технологии бурения, что может вызвать на снижение дебита скважины. Иногда, допускается комбинирование указанных способов бурения. 

3.3 Выбор типа и конструкции фильтра

    Скважины  на воду могут быть фильтровыми и бесфильтровыми. Фильтровые скважины применяют в неустойчивых рыхлых и скальных породах. Бесфильтровые скважины создают в скальных трещиноватых, но устойчивых породах (рис. 1 а). Сооружение бесфильтровых скважин возможно также в рыхлых неустойчивых породах, при наличии в кровле водоносного пласта устойчивых пород (рис. 1 б).

    Под фильтром обычно понимают специальное  устройство, устанавливаемое в скважине в интервале водоносного горизонта, которое обеспечивает свободный  доступ внутрь скважины чистой воды без механических примесей, и одновременно предохраняет ствол скважины от обрушения. Фильтры обычно устанавливают только в неустойчивых породах.

    В скважину опускают фильтровую колонну, состоящую из надфильтровой части, собственно фильтра (рабочей части) и отстойника с пробкой. Отстойник служит для осаждения прошедших через рабочую часть фильтра частиц породы.

    Все существующие фильтры можно условно  разделить на дырчатые или щелевые, сетчатые, гравийные и гравитационные. Типы и конструкции фильтров выбираются в зависимости от характера породы водоносного пласта и глубины скважины в соответствии со СниП-11-31-74 (табл. 1).

    В агрессивные воды с большим содержанием  углекислоты, сероводорода и кислорода  каркасы фильтров изготавливаются  из нержавеющей стали или неметаллических труб.

Применение  различных типов  и конструкций  фильтров

Таблица 1.

    Каркасы фильтров изготавливаются из стальных обсадных труб нефтяного сортамента (табл.7) ([9], стр.349, табл.VIII.I), геологоразведочного сортамента (табл.10), стальных насосно-компрессорных труб ([9], стр.357, табл. VIII.9), труб из нержавеющей стали (ГОСТ 9940-62), а также винипластовых, полиэтиленовых, стеклопластиковых, асбестоцементных и других ([9], стр.360). 

3.4. Расчёт фильтра и полости бесфильтровых скважин. 

Фильтровые  скважины

    Фильтры эксплуатационных скважин на воду должны удовлетворять условиям длительной эксплуатации и ремонта.

    Размеры проходных отверстий фильтров (для  сетчатых - сетки) без устройства гравийной  обсыпки рекомендуется определять по табл. 2.

    Размеры проходных отверстий фильтров при устройстве гравийной обсыпки принимаются равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки, примыкающего к стенкам фильтра.

    Под скважностью фильтра понимают отношение  площади отверстий к общей  площади боковой поверхности  фильтра, выраженное в процентах ([3],стр.6).

    Минимальный диаметр каркаса фильтра следует  принимать не менее 80-100мм, а скважность следует доводить до 20-25%.

Размеры проходных отверстий  фильтров.

Таблица 2.

Примечание

d_l0, d₅₀, d₆₀ - размеры частиц грунта, меньше которых в водоносном

пласте  содержится соответственно 10, 50 и 60% (определяются по графику гранулометрического состава пород). 

    В фильтрах с водоприёмной поверхностью из проволочной обмотки и штампованного  стального листа скважность каркасов принимается, исходя из условий их прочности, до 30-60%.

    В гравийных фильтрах в качестве обсыпки  могут применяться песок, гравий, песчано-гравийные смеси.

    Подбор  размера частиц материалов для гравийных обсыпок производится по соотношению ,

где D₅₀ - размер частиц, меньше размера которых в обсыпке содержится 50%;

    d₅₀ - размер частиц, меньше размера которых в породе водоносного

пласта  содержится 50%.

    В  гравийных фильтрах толщина и количество слоев обсыпки принимается с учетом конструкции фильтра. Для фильтров, собираемых на поверхности земли, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 30 мм. Для фильтров, создаваемых на забое скважин засыпкой гравия по межтрубному пространству, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 50 мм.

    Наиболее  надежны в эксплуатации фильтры  с гравийной обсыпкой толщиной в 150-200 мм.

    При устройстве двухслойных обсыпок подбор размера частиц материала слоев производится по соотношению , где D₂ и - средние диаметры частиц материала соседних слоев обсыпки.

    Первый  слой обсыпки, прилегающий к каркасу  фильтра, состоит из

наиболее  крупных частиц гравия.

    При устройстве гравийных фильтров за наружный диаметр скважины следует принимать  диаметр внешнего контура обсыпки.

    Наружный  размер фильтра должен обеспечивать его свободный спуск внутрь обсадной колонны с зазором не менее 10 мм. Зазор между стенками скважины и фильтром должен быть не менее 30-50 мм.

    При каптаже пластов мощностью до 10 м фильтр рекомендуется устанавливать  на всю мощность пласта, а при  мощности пласта более 10 м длина  рабочей части фильтров определяется с учетом водопроницаемости пород, производительности скважины и конструкции фильтра.

     . (1)

    Обязательно необходимо учесть какие вскрываются  воды - напорные или безнапорные. Когда  вскрываются безнапорные воды, в  верхней части фильтра размещается насос. Поэтому диаметр корпуса фильтра определяется диаметром насоса (смотреть раздел «выбор насоса» и «выбор конструкции скважины»), а длина определяется по формуле (1). 

    Рабочую часть фильтра следует устанавливать  против участков, обладающих наибольшей водопроницаемостью, но не менее 0,5-1 м от кровли и подошвы водоносного пласта.

    При наличии нескольких водоносных горизонтов рабочие части фильтров устанавливаются  в каждом водоносном горизонте и  соединяются между собой глухими  трубами.

    Верхняя, глухая часть фильтра должна находится выше башмака обсадной колонны не менее чем на 3 м. Между обсадной колонной и надфильтровой трубой должен быть установлен сальник или кольцевой

тампон. Длина отстойника принимается 1-2 м.

    Ориентировочный диаметр фильтров определяется по формуле:

     (2)

где  D - диаметр фильтра, мм,

Q - проектный дебит, /ч,

L — длина фильтра, м.

а - коэффициент, характеризующий фильтрационные свойства водоносного пласта(табл. 3)

Значения  коэффициента

Пример 2. Определить размеры фильтра при условиях: Водоносный горизонт сложен песками среднезернистыми. Мощность пласта 10 м. Проектный дебит 20 /ч. Так как мощность пласта не превышает 10 м . то вскрываем водоносный горизонт на всю мощность, ( L=10 м ). Определяем диаметр фильтра по формуле (2)

Если  диаметр получается меньше 80-100мм то считаем  длину фильтра  по формуле (1), задаваясь диаметром 80-100 мм. 
 

    Расчётный диаметр получим  если выберем трубы  каркаса 114 мм (табл. 7), проволоку для  обмотки 3 мм, сетку  галунного плетения толщиной 1 мм

     .

    Если  выбран гравийный  фильтр, формируемый  на забое, то его конструкция и диаметр определяются из следующих соображений. Пусть средний размер частиц водоносного песка 0,3 мм. Тогда средний размер частиц гравия используемого в качестве обсыпки:

    Конструкция каркаса гравийного цикла должна включать трубы и проволочную обмотку. Выбираем трубы диаметра 114 (табл.7) и проволоку диаметра 3 мм.

    Минимальная толщина гравийной  обсыпки 50 мм.

    Полученный  размер должен быть увязан со стандартным  размером долот (табл.8).

    Выбираем  ближайший больший размер долот 243 мм.

    Чтобы получить проектный  дебит, надо, зная диаметр, рассчитать длину  рабочей части  фильтра по формуле (1)

    Если  планируется выведение  надфильтровой трубы  на поверхность, то диаметр  каркаса фильтра  необходимо увязывать с диаметром насоса, установленного в этих трубах.(см. «Выбор конструкции скважины»). 

Бесфильтровыевые  скважины

    Бесфильтровые скважины в песчаных водоносных пластах  с устойчивой кровлей, проектируются  по принципу представленному на рис. 1б. На практике применяются очень редко

    Расчет  бесфильтровой скважины проводится для определения размеров полости, обеспечивающей необходимую пропускную способность, и выяснения устойчивости кровли сформированной полости:

     , (3)

где   Q - дебит скважины, м³/ч,

    F - боковая поверхность полости, м²,

h - высота полости, м,

 - угол естественного откоса (20 - 25 градусов),

V_ф - скорость фильтрации, м/ч.

Рис. 1 Конструкции  бесфильтровых (а) и б)) и фильтровых (в)) скважин:

    а) в устойчивых породах, б) в неустойчивых породах, в) фильтровая в неустойчивых породах. 1 - цементный раствор, 2 - фильтр, 3 - бесфильтровая полость

Из формулы  Н.А. Карамбирова:

, м/сутки, (4)

- коэффициент запаса (0,7 - 0,8),

- коэффициент уменьшения фильтрации в песках в зависимости от угла естественного откоса, равный для мелкозернистого теска - 0,9; среднезернистого песка - 0,8; крупнозернистого песка - 0,74;

- плотность пород водоносного пласта (1,4 - 1,8),

П - пористость для песков (0,3 - 0,4),

К'- коэффициент фильтрации, м/сутки. 

Учитывая (3) и (4), определим радиус полости:

, м. (5)

Устойчивость  пород кровли определяется из выражения:

, м. (6)

Где - высота свода естественного равновесия пород кровли, м.

- коэффициент крепости пород ( ).

    Породы  кровли обрушаться не будут, если давление воды  на непроницаемую кровлю будет больше давления столбика породы в пределах свода естественного равновесия:

     , (7)

    где  Н - превышение статического уровня воды над кровлей водоносного

горизонта, м,

    S - понижение уровня при откачке, м_,

      - плотность пород кровли, (2,5 - 3,0),

     - плотность воды. 1 .

    Учитывая (6) и (7), условие устойчивости можно  представить в виде:

     , (9)

Дополнительным  условием устойчивости пород кровли является условие