Расчет и конструирование основных элементов скважины

Водозаборная скважина состоит из самой скважины (ствол), фильтра (водоприемная часть), заканчивающегося отстойником, и устья с оборудованием.

В зависимости от геологических и гидрогеологических условий скважины закрепляются одной или несколькими колоннами труб.

Расчету водоприемной части скважин (фильтров) и подбору насосов первого подъема должны предшествовать конструирование скважин и взаимоувязка всех ее основных строительно-монтажных и эксплуатационных элементов с учетом выбранного способа бурения. Пример конструирования скважин ударного и роторного бурения с размещением фильтров и насосов в эксплуатационной колонне приведен на рис. 3 и в табл. 1

◄Рис.3 Схема конструктивных размеров элементов водозаборной скважины:

а – ударного бурения; б – роторного бурения:

1 – извлекаемая колонна обсадных труб;
2 – защитная колонна обсадных труб;
3 – эксплуатационная колонна обсадных труб; 4 – фильтрующая поверхность; 5 – отстойник с пробкой; 6 – надфильтровая труба;
7 – сальник; 8 – водоподъемник; 9 – водоподъемная труба; 10 – направляющая труба; 11 – цементация затрубного пространства.

Одним из самых важных элементов скважины является фильтр, предотвращающий вынос водоносной породы в эксплуатационную колонну и предохраняющий водоприемную часть ствола от разрушения.

На практике применяются щелевые, дырчатые, проволочные, сетчатые, гравийные и блочные фильтры. Фильтр состоит из рабочей (водоприемной) части, надфильтровой трубы и отстойника. Каркасы фильтров изготавливают из стальных труб с антикоррозионным покрытием или других высокопрочных материалов, стойких к коррозии и нетоксичных по отношению к воде.

Обозначения на рис. 3	Наименование	Размеры
l1	Глубина погружения первой колоны обсадных труб при ударном бурении	30-50м
l2	Выход новой колонны из-под башмака предыдущей	30-50м
l3	Выход последней колонны обсадных труб из – под башмака предыдущей	В скважинах со сменяемыми фильтрами l3≈ 20-30м
l4	Заход надфильтровой трубы в эксплуатационную колонну обсадных труб	3-5м
l5	Длина отстойника фильтра	От 0,5 до 2-3м
l6	Расстояние от кромки фильтрующей поверхности до границ слоя глин	≥1,0м
l7	Глубина погружения насоса под динамический уровень	Зависит от типа насоса
l8	Расстояние от поверхности земли до динамического уровня	-
lф	Рабочая длина фильтра	-
DФ	Наружный диаметр фильтра	Определяется по расчету
DЭ	Внутренний диаметр эксплуатационной колонны обсадных труб	DЭ= DФ+(50…100мм) (100мм для гравийно-кожуховых фильтров)
DД	Диаметр долота для разбуривания роторным способом скважины под трубу DЭ	DД≥ DЭ+95мм
DН	Внутренний диаметр направляющей трубы	DН≥ DЭ+100мм
D2	Внутренний диаметр защитный колонны обсадных труб	D2= D+(50…100мм) (100мм при δ≤7мм)
D1	Внутренний диаметр первой колонны обсадных труб	D1= D2+(50…100мм)
δ1	Зазор на каждую сторону между фильтром и эксплуатационной колонной	δ1=(DЭ - DФ)/2
δ2	Зазор между наружным диаметром водоподъемника и внутренним диаметром эксплуатационной колонны	Δ2=(DЭ – Dнас)/2; при l8 ≤20м δ≥10мм; при l8 ≤20м δ≥25мм

Тип и конструкцию фильтра выбирают в зависимости от вида пород водоносного горизонта, руководствуясь приложением 9.

Размеры проходных отверстий (мм) выбранного типа фильтра в зависимости от водоприемной поверхности должны быть:

при круглой перфорации ;

при щелевой перфорации ;

при сетчатом покрытии ,

где d_ср – средний диаметр частиц водосодержащей породы, мм.

Подбор материала для гравийных обсыпок производится по соотношению:

.

При многослойной гравийной обсыпке соотношение средних диаметров частиц соседних слоев обсыпки должно составлять 4 6 [4].

Водоприемная поверхность фильтров водозаборных скважин соединяется через надфильтровую трубу с помощью сальника с эксплуатационной колонной.

Рабочую длину фильтра ℓ_ф принимают в безнапорных водах (0,5…0,75)Н_к (Н_к – глубина погружения колодца в водоносный горизонт), а в напорных водах – равной мощности водоносного слоя.

Диаметр фильтра (по водоприемной поверхности) определяется по формуле:

(2.14)

где Q_max – максимальный расход воды, забираемой из скважины, м³/сут (по формуле); υ_ф – входная скорость фильтрации воды на границе пласт – водоприемная поверхность, м/сут (по формуле 2.14 или 2.15).

Для дырчатых, щелевых, проволочных, сетчатых фильтров:

(2.15)

Для гравийных, зонтичных, блочных фильтров:

(2.16)

где d₅₀, Д₅₀ – соответственно 50% - ный диаметр частиц водоносной породы и зерен обсыпки фильтрующей колонны (по заданию).

Бесфильтровые скважины устраивают в крупнозернистых и гравелистых водоносных песках, когда над водоносным пластом имеется мощный слой (не менее 10м) глины. Для устройства бесфильтровой скважины под кровлей в водоносном пласте формируется водоприемной воронка. Расчетная схема водоприемной воронки приведен на рис.4

Требуемый радиус водоприемной воронки определяется по формуле:

(2.17)

где q – дебит бесфильтровой скважины, м³/сут; υ₀ – допустимая скорость фильтрации на границе выхода грунтового потока в воронку, м/сут; φ – угол естественного откоса песка под водой.

Рис. 4 Схема бесфильтровой скважины:

S - глубина понижения статического уровни воды_; h - глубина водопри­емной воронки; R_В - радиус водопри­емной воронки; φ - угол естественного откоса водоносного песка; h_об - высота свода обрушения, α - угол внутреннего трения грунта кровли; Z ₃ – отметка поверхности земли; Z_с - отметка статического уровня воды; Z_A – отметка динамического уровня воды.

Величина υ₀ определяется по формуле:

, м/сут, (2.18)

где k_ф – коэффициент фильтрации водоносного грунта, м/сут; η₁ – коэффициент запаса (0,7-0,8); η₂ – коэффициент уменьшения допускаемых уклонов, зависит от угла естественного откоса (для φ=25⁰ η₂=0,84); ρ – пористость водоносного песка, в долях.

Высота водоприемной воронки определяется из выражения:

, м. (2.19)

Высота свода обрушения определяется по формуле:

, (2.20)

где tg α - угол внутреннего трения глинистого грунта кровли.

Допустимый радиус водоприемной воронки определяется из условия не обрушения кровли:

, (2.21)

где Р_кр – пористость породы кровли (в долях); γ_кр – удельная плотность породы кровли (2,73-2,92), т/м³; γ – удельный вес воды
(1 т/м³).

Сравниваем R_доп с R: если R_доп<R, то скважина удовлетворяет требованием устойчивости кровли; если R_доп>R, то уточняется радиус R_доп и для него находится новое значение h.

Водозаборные сооружения выполняются из одной скважины или нескольких скважин, расположенных на расстоянии друг от друга, большем суммы их радиуса влияния. При этих вариантах суммарный дебит водозабора складывается из суммы дебитов одиночных скважин, не влияющих друг на друга. В случае если водозабор состоит из нескольких скважин, расположенных на расстоянии друг от друга, меньшем суммы их радиусов влияния, то это приводит к снижению производительности каждой из них. Такие скважины называются взаимодействующими.

Дата добавления: 2015-12-07