Проектирование скважин на воду

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

для различных пород.

 

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