Фильтры скважин, их подбор и расчет

Фильтр является весьма ответственной частью скважины. Он должен отвечать следующим требованиям:

·обладать необходимой механической прочностью;

·иметь по возможности наибольшую площадь контакта с водоносной породой;

·обеспечивать максимальный дебит скважины при минимальном понижении уровня воды в ней;

·быть достаточно устойчивым при длительной эксплуатации против химической и электрохимической коррозии, водной эрозии, зарастания;

·иметь конструкцию, позволяющую применять механические и химические методы восстановления водопроницаемости прифильтровых зон и фильтра и извлекать из скважины старый фильтр для замены новым.

Фильтр состоит из каркаса и водоприемной поверхности. Каркас − основа для водоприемной поверхности. Он может быть: стержневым, трубчатым с круглой или щелевой перфорацией; из штампованного листа. Водоприемную поверхность устраивают из проволочной обмотки, штампованного листа, металлических и неметаллических сеток.

Рис. Схема фильтровой водоприемной части скважины:

1 – фильтр; 2 – отстойник; 3 – муфта с фигурным вырезом для спускового ключа; 4 – сальник.

В зависимости от строения водоприемной поверхности фильтры скважин подразделяют:

·на трубчатые с круглой или щелевой перфорацией;

·с проволочной обмоткой;

·с водоприемной поверхностью из штампованного листа;

·сетчатые;

·гравийные кожуховые;

·гравийные обсыпные;

·блочные из пористого бетона или пористой керамики.

Фильтры с круглой и щелевой перфорацией применяют, как правило, при заборе стабильной по химическому составу воды из гравелистых грунтов и чистых галечников, часто их используют в качестве опорных каркасов для проволочной обмотки, сеток и гравия, образующих фильтрующие поверхности, через которые внутрь скважины проходит чистая вода, а песчинки задерживаются. Продолжительность работы фильтров будет тем больше, чем больше скважность каркасов и геометрические размеры отверстий в них.

Каркасно-стержневые фильтры с проволочной обмоткой (рис., б) состоят из металлических стержней, опорных поясов жесткости и соединительных патрубков. Соединительные патрубки изготовляют из обсадных труб соответствующего диаметра. Для каждого звена фильтра необходимо два патрубка длиной 250...350 мм со стандартной резьбой на концах. Металлические стержни выполняют из прутковой стали диаметром 10...16 мм и длиной 2...3,5 м. Чтобы стержни образовали каркас, их располагают по образующей патрубков на расстоянии 30...40 мм один от другого. Опорные пояса придают стержням необходимую жесткость при монтаже каркаса. Их делают из фланцев листового железа толщиной 10...12 мм, колец или сварными с закладкой кусков металла между стержнями и устанавливают по вертикали через 200...350 мм.

Каркасно-стержневые фильтры после сборки очищают от окалины и покрывают антикоррозийным защитным слоем (органической краской ВН-30 или полиэтиленом).

Трубчатые фильтры с проволочной обмоткой состоят из перфорированного трубчатого каркаса и проволоки из нержавеющей стали диаметром 1,5...4 мм. Проволоку в виде спирали наматывают вокруг каркаса. В результате этого образуются щели бесконечной длины, перпендикулярные к оси фильтра. Шаг спиральной намотки принимают равным m = (0,8...1) d₅₀, где d₅₀ – пятидесятипроцентный размер частиц водоносной породы, обсыпки из гравия или крупного песка. Проволочную спираль на трубчатых фильтрах удерживает в заданном положении опорная стальная проволока диаметром 5...10 мм, уложенная и закрепленная вдоль оси каркаса.

Рис Схемы фильтров:

а – трубчатых с круглой и щелевой перфорацией и каркасно-стержневых; б – с проволочной обмоткой; в – с водоприемной поверхностью из штампованного листа; г – сетчатых; д – гравийных; е – гравийных кожуховых; 1, 2 – круглые и щелевые отверстия; 3 – стержни; 4 – проволочная обмотка; 5, 7 – подкладочные спиральная обмотка и гофрированная сетка из винипласта; 6 – штампованный лист; 8 – сетка; 9 – обсадные трубы; 10 – гравийная и гравийно-песчаная обсыпка (обыкновенная в кожухе); 11, 12 – кожухи из штампованного кровельного железа и из сетки квадратного плетения.

Фильтры с водоприемной поверхностью из штампованного листа (рис., в) состоят из перфорированного трубчатого каркаса, по поверхности которого навита прокладочная проволока, резиновый или хлорвиниловый шнур диаметром 5...10 и шагом 60...100 мм. Благодаря этой навивке между трубчатым каркасом и листом создается дренажное устройство, отводящее воду внутрь фильтра. Штампованный просечной лист из нержавеющей стали толщиной 0,7…1 мм с отверстиями различной конфигурации и скважностью 18...30% накладывают на спорную проволоку и крепят электросваркой (прерывистым швом).

Сетчатые фильтры (рис., г) состоят из опорного трубчатого или стержневого каркаса, спирально навитой на каркас проволоки и сетки галунного, киперного или квадратного плетения из латуни, нержавеющей стали или пластмассы. Места пайки у латунных сеток и проволочной подмотки в результате электрохимической коррозии быстро разрушаются. Поэтому в кромках сетки рекомендуется сшивать, склеивать эпоксидной смолой. Размер отверстий сетки подбирают опытным путем. В фильтрах используют такую сетку, которая пропускает через свои отверстия 60...80% массы пробы мелко- и среднезернистого песка или 40...60% крупнозернистого. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны обсадных труб должен быть больше наружного диаметра фильтра на 25...50 мм.

Сетчатые фильтры применяют для забора неагрессивных вод из средне- и крупнозернистых песков.

Гравийные фильтры (рис., д) обеспечивают длительную и устойчивую в сравнении с другими типами фильтров эксплуатацию скважин, забирающих воду из средне- и мелкозернистых песков. Их контактирующая с водоносной породой поверхность состоит из искусственно вводимого гравия или крупнозернистого песка. Опорные каркасы изготавливают из перфорированных труб, проволочных и стержневых фильтров.

Различают гравийные фильтры опускные (устанавливают в скважины в готовом виде) и обсыпные (создают непосредственно в скважине, гравий на забой засыпают по межколонному пространству).

Гравийные кожуховые фильтры (рис., е) состоят из опорного перфорированного или стержневого каркаса, сетки или проволочной обмотки, предотвращающей проникновение в каркас частиц гравийной обсыпки, стержней, служащих опорной конструкцией для сетки или проволочной обмотки, гравийной обсыпки, обычно однослойная, толщиной 30...50 мм, кожуха из сетки или трубы со щелями (щелистые трубы применяют в глубоких скважинах), хомутов, которые притягивают сетчатый кожух к каркасу (вместо хомутов можно крепить сетку проволокой), поясов жесткости из проволоки, предохраняющих сетку от выпучивания. Монтируют фильтры на поверхности. Чтобы мелкие частицы гравийной обсыпки не проникали внутрь скважины, в каркасе делают отверстия малого диаметра или закрывают их сеткой (проволочной обмоткой). При эксплуатации в результате осадки гравия верхние отверстия каркаса могут обнажаться, поэтому гравийную обсыпку рекомендуется насыпать на 50 см выше отверстий в каркасе.

Гравийные обсыпные фильтры состоят из фильтрового каркаса и гравийной обсыпки. Вначале в скважину (в водоносный горизонт) опускают фильтровой каркас какой-либо конструкции, затем его обсыпают гравием.

Гравий в скважины глубиной до 100 м засыпают по межколонному пространству, глубиной более 100 м – транспортируют потоком промывочной жидкости.

Тот или иной тип фильтра принимается в зависимости от грунта водоносного горизонта.

Расчет фильтра заключается в определении его диаметра и длины рабочей части.

Диаметр фильтра определяется по зависимости

, мм

где Q – производительность скважины м³/сут;

D_ф – наружный диаметр рабочей части фильтра, м;

V_ф – допустимая входная скорость фильтрации воды, м/сут;

– скважность фильтра, =0,2…0,3.

Допустимая входная скорость фильтрации воды определяется:

для дырчатых, щелевых, проволочных и сетчатых фильтров

для гравийных и блочных фильтров

где – диаметр частиц водоносной породы, меньше которого содержится 50% частиц по массе, мм;

– диаметр частиц гравийной обсыпки, меньше которого содержится 50% частиц по массе, мм.

Длину рабочей части фильтра принимают в зависимости от мощности водоносного пласта, водопроницаемости пород, производительности скважины и конструкции фильтра.

В водоносных пластах мощностью до 10 м длину рабочей части фильтра можно принимать равной мощности водоносного горизонта за вычетом конструктивных размеров

,

а в пластах большой мощности

,

где – коэффициент, равный 0,5…0,8.

Длину рабочей части можно также определять по зависимости, задаваясь диаметром фильтра

где − дебит скважины, м³/ч;

− коэффициент, зависящий от водопроницаемости пород;

D_ф − диаметр рабочей части фильтра, мм.

Значения коэффициента

Порода	Коэффициент фильтрации, м/сут
Песок мелкий	2…5
Песок средний	5…15
Песок крупный	15…30
Известняк	20…50
Гравий	30…70

Если в результате получится, что , то скважина несовершенна, в результате чего возникают дополнительные фильтрационные сопротивления, которые необходимо учитывать в формулах для расчета идеальных скважин.