Бурение скважин на воду: технологии, фильтры, оборудование

Бурение гидрогеологических и водозаборных скважин. Проходка скважин на воду имеет различное целевое назначение: поиски и разведка подземных вод, водоснабжение, понижение уровня подземных вод при строительстве, разработке полезных ископаемых, многолетние режимные наблюдения, захоронение промышленных стоков и др. Бурение скважин осуществляется в основном ударно-канатным и вращательным роторным способами. Иногда используют шнековое и вибрационное бурение.

Особенностью конструкции скважин, сооружаемых на воду, является установка в них эксплуатационной колонны обсадных труб, перекрывающей все породы до кровли водоносного пласта. В этой колонне монтируется водоподъемник (рис. 22). В зависимости от характера водосодержащих пород водоприемная часть скважины может быть оборудована фильтром или не иметь его. Бесфильтровые скважины применяются в том случае, когда водоносный горизонт представлен трещиноватыми, но устойчивыми породами — гранитами, известняками и др. Если водосодержащими породами являются рыхлые, сыпучие (пески, галька, гравий) или сильнотрещиноватые, в скважину помещается фильтр. Фильтры предохраняют водоприемную часть скважины от заплывания и обвалов и очищают поступающую в эксплуатационную колонну воду от механических примесей.

Рис. 22. Конструкция фильтровой скважины. 1 — рабочая часть фильтра, 2 — отстойник, 3 — надфильтровая часть, 4 — герметизирующий сальник

Фильтр состоит из надфильтровой части, рабочей части и отстойника, закрытого снизу пробкой. Надфильтровая часть, представляющая собой глухой патрубок, предназначена для установки и извлечения фильтра и соединения его с эксплуатационной колонной, для чего на ней размещается герметизирующий сальник. Рабочая часть — собственно фильтр — предназначается для пропуска жидкости без частиц породы из продуктивного горизонта в скважину. Отстойник служит для осаждения прошедших в рабочую часть фильтра частиц породы. Фильтры должны обладать максимальной пропускной способностью воды при хорошей ее очистке, достаточной прочностью, антикоррозийной устойчивостью, пригодностью для длительной эксплуатации. При этом фильтры должны быть достаточно просты в изготовлении и дешевы.

Основными конструктивными элементами рабочей части фильтра являются каркас и фильтрующее покрытие. В зависимости от гранулометрического состава водосодержащей породы, ее устойчивости и химического состава воды применяются три типа фильтров: простые без покрытий, каркасные с тонкими фильтрующими покрытиями и фильтры с засыпкой (рис. 23). Каркасы фильтров изготовляются из разных материалов: стали, чугуна, латуни, дерева, пластмассы, асбоцемента, керамики и др. Выбор материала зависит в основном от характера подземных вод: в случае агрессивных вод используют нержавеющую сталь, пластмассы, керамику. На боковой поверхности трубчатых каркасов высверливаются круглые отверстия или продольные щели. Размеры отверстий выбираются в соответствии с крупностью зерна породы продуктивного горизонта.

Рис. 23. Фильтры: трубчатый стальной (А); корзиночный (Б); кожуховый (В). 1 — опорный каркас, 2 — гравийная обсыпка, 3 — внешний каркас, 4 — направляющие фонари, 5 — опорные фланцы, 6 — фильтровая сетка

Водопропускная способность фильтра характеризуется его скважностью, т.е. отношением площади проходных отверстий ко всей рабочей поверхности фильтра. Скважность фильтра с круглыми отверстиями достигает 25-30%, а щелевого — 10-15%. Каркасы изготовляются разнообразных размеров по диаметру, длине и пропускной способности. Тонкими фильтрующими покрытиями для них служат сетки (металлические, пластмассовые, стеклянные) и проволока.

Каркасно-проволочные фильтры применяют в гравелистых и крупнозернистых водоносных песках. Они представляют собой каркасы, обмотанные проволокой из нержавеющей стали диаметром 1,5-3,0 мм. Для улучшения доступа воды на каркас под обмотку привариваются продольные ребра из стальной проволоки диаметром 3-5 мм. Шаг спиральной обмотки зависит от гранулометрического состава пород и изменяется от 1 до 6 мм. Вместо проволоки может быть использован капроновый шнур диаметром 3-5 мм, который наматывается на каркас без видимого зазора между витками. Сетчатые фильтры рекомендуется использовать в крупно-, средне- и мелкозернистых водоносных песках. Они состоят из каркаса, закрытого сеткой (металлической, латунной, пластмассовой), иногда тканью из стекловолокна, капрона или нейлона.

В мелко- и тонкозернистых водоносных песках, где сетчатые фильтры не обеспечивают надежной очистки воды, применяют гравийные фильтры. Они состоят из обычного каркасно-проволочного или сетчатого фильтра, рабочая часть которого окружена слоем гравия или крупнозернистого песка. По способу изготовления они бывают двух типов. Первый полностью собирается на поверхности и с засыпкой в готовом виде опускается в скважину. Второй тип создается в скважине путем засыпки гравия и песка между каркасом и стенками скважины. Такие фильтры в основном устраивают в скважинах ударного бурения.

Установка фильтра любого типа в скважине с неустойчивыми стенками, пробуренной ударно-канатным способом, производится под защитой колонны обсадных труб, башмак которой залавливается в водоупор, подстилающий водоносный слой. После установки фильтра обсадные трубы приподнимают настолько, чтобы рабочая часть фильтра оказалась обнаженной, или полностью извлекают из скважины.

При вращательном бурении с промывкой глинистым раствором перед вскрытием водоносного пласта скважину перекрывают обсадной колонной, которая обычно используется в качестве эксплуатационной. Водоносный пласт в этом случае трубами не перекрывается, так как стенки его удерживаются глинистой коркой и гидростатическим давлением столба жидкости.

Процесс спуска фильтра в скважину осуществляется тремя способами: на трубной колонне, которая остается в скважине вместе с фильтром, на трубной колонне с левым переводником или со спусковым крюком; последние два способа позволяют разъединять фильтр от спускной- колонны и устанавливать его “в потай”; в этом случае зазор между надфильтровой частью и обсадной колонной перекрывается сальником.

При бурении с промывкой глинистым раствором частицы глины проникают в водоносный горизонт, закупоривают поры породы, образуют на стенках корку, препятствующую поступлению воды в скважину. Для восстановления водоотдачи водоносного горизонта проводят его разглинизацию. В случае напорных водоносных горизонтов, представленных разнозернистыми песками или трещиноватыми породами, используют эрлифт, который позволяет создать резкие перепады давления в скважине, вследствие чего происходит интенсивное вымывание глинистых частиц и шлама из пород водоносного горизонта. Разглинизацию слабонапорных водоносных горизонтов производят промывкой зафильтровой зоны водой, прокачиваемой через фильтр. Для откачки воды из скважин используют различные водоподъемники. Выбор типа водоподъемника зависит от положения динамического уровня воды в скважине, диаметра эксплуатационной колонны и требуемой производительности.

Если динамический уровень воды находится на глубине не более 6-7 м от устья скважины, для откачки используют обычные поршневые и центробежные насосы, установленные вместе с приводящими их двигателями на поверхности около устья скважины.

Когда динамический уровень располагается ниже пределов всасывания указанных выше насосов, скважину оборудуют глубоководными водоподъемниками: поршневыми штанговыми насосами, артезианскими центробежными насосами с двигателем на поверхности, винтовыми артезианскими насосами, центробежными насосами с погружным двигателем, водоструйными насосами (гидроэлеваторами) и эрлифтами.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.