Материал: Обеспечение хозяйственно-питьевого водоснабжения города Великий Новгород

При освоении пород водоносных пластов, представленных неустойчивыми породами, мелко- и среднезернистыми песками, а также слабоустойчивыми породами, например песчаниками, наиболее широкое применение в отечественной и зарубежной практике нашли фильтры с гравийной обсыпкой. Гравийная обсыпка в значительной мере предотвращает пескование скважины, улучшает фильтрационные свойства пород в прифильтровой зоне, позволяет увеличить размер проходных отверстий, а следовательно, и скважность фильтровых каркасов. Таким образом, гравийная обсыпка повышает водоотбор и увеличивая срок эксплуатации фильтра.

К основным параметрам гравийных фильтров относятся:

качество гравия;

гранулометрический состав гравия;

размер отверстий каркаса фильтра;

толщина гравийного фильтра и его диаметр.

.12.1 Расчет гравийной обсыпки

Для обсыпки фильтра проектом предусматривается использовать гравий однородного состава с коэффициентом однородности 1,5 - 3 [5,8]. Это поможет значительно снизить расслоение гравия в процессе засыпки в скважину и получить однородный по высоте фильтр. Также на пропускную способность фильтра влияет окатанность гравия. Угловатые частицы способствуют снижению количества пропускаемой воды, поэтому будет использоваться окатанный гравий.

Гранулометрический состав гравия находится по соотношению:

,  (2.50)

где  - размер зерен гравия, содержание которых по массе составляет 50% (средний диаметр зерен гравия), мм; - средний диаметр частиц песка, мм.

Водоносный пласт, рассматриваемый в проекте, сложен мелкозернистым слабосцементированным песчаником со средним размером частиц песка . Находим средний размер зерен гравия:

.

Минимальную толщину обсыпки следует выбирать в зависимости от размеров гравия. При размере зерен 0,75 - 4 мм, толщина слоя обсыпки составляет 60 мм [5,8]. Наиболее надежны в работе фильтры с толщиной обсыпки 100 - 200 мм [5]. Большая толщина обсыпки при имеющихся размерах частиц водоносной породы может повлиять на увеличение выноса песка. Поэтому выбирается однослойная гравийная обсыпка толщиной 100 мм. Так как может произойти проседание или вынос обсыпки, проектом предусматривается запас столба гравия над верхнем краем рабочей части фильтра. Высота слоя обсыпки на 3 м больше длины рабочей части фильтра, гравием засыпается интервал 147 - 167 м. Кроме того, столб гравия, расположенный выше рабочей части фильтра между надфильтровой трубой и трубой эксплуатационной колонны выполняет роль сальника.

Поскольку водоносные породы представлены мелкозернистыми слабосцементированными песчаниками, каркас фильтра предусматривается обтягивать сеткой. С учетом размера частиц выбирается сетка галунного плетения номер 16/100, размер ячейки 0,23 мм, диаметр проволоки 0,5 мм [5]. Скважность фильтра составляет 30 %. Перед натягиванием сетки на каркас фильтра по спирали наматывается проволока диаметром 3 мм.

Объем засыпки рассчитывается по формуле:

,  (2.51)

где Dc - диаметр скважины, м; dф- наружный диаметр фильтра, м;l- длина фильтра, засыпаемая гравием, м; - коэффициент растекания (принимаем ) [8].

Объем засыпки для надфильтровой части:= 0,221 м; dф =0,189 м; l=3 м.

.

На 1 м надфильтровой части понадобится .

Объем засыпки для остальной части фильтра:= 0,221 м; dф =0,189 м (с учетом проволоки и сетки); l=40 м.

.

На 1 м фильтра понадобится .

Всего необходимо гравия: .

Отверстия каркаса круглые. С учетом размера частиц водоносной породы, применения сетки, удобства изготовления отверстий, обеспечения достаточной водопропускной способности фильтра размер отверстий принимается равным 12 мм [6]. Отверстия располагаются в шахматном порядке.

Расстояние между центрами отверстий по длине трубы:

,  (2.52)

где - диаметр отверстия, мм.

.

Расстояние между центрами отверстий по окружности:

. (2.53)

.

Техническая характеристика разработанного фильтра представлена в табл. 2.13.

Таблица 2.13

Техническая характеристика фильтра

2.12.2 Технология устройства гравийной обсыпки

Проектом предусматривается устройство гравийной обсыпки фильтра с одновременной откачкой (методом замещения). Откачку проводят с помощью пакера эрлифтом поинтервально (0,5-1 м) [5]. Гравий засыпают одновременно с откачкой. При такой технологии засыпки гравия можно управлять толщиной слоя обсыпки, а не требуется дополнительно разбуривать ствол скважины под гравийную засыпку. Поинтервальная откачка позволяет получить каверну от 0,3 до 0,5 м [5]. На каждый интервал откачки засыпается определенное (рассчитанное) количество гравия. Таким образом, поинтервально вымывая песок и постепенно засыпая вместо него гравий, получают необходимое пространство под засыпку.

При засыпке гравия предусматривается определенная последовательность выполнения технологических операций.

. После вскрытия водоносного пласта спускают фильтровую колонну на бурильных трубах. На конце фильтровой колонны установлен переходник, имеющий правую внутреннюю замковую резьбу для соединения с бурильными трубами. На 0,5 м выше башмака отстойника в трубе прорезаны отверстия общей площадью не менее 50 см2.

. Промывают скважину до тех пор, пока не начнется вынос песка.

. Вращением инструмента вправо срезают шпильки, отвинчивают переходник и извлекают бурильные трубы на поверхность.

. Собирают пакерный узел, соединяют его с водоподъемной трубой (прижимные гайки сжимают сальники).

. Замеряют длину водоподъемных труб, спускают пакерный узел в зону фильтра так, чтобы верхний пакер был установлен ниже начала рабочей части фильтра на 1 м. Над пакерным узлом устанавливается крышка фильтра наружным диаметром 181 мм таким образом, чтобы водоподъемные трубы могли спокойно перемещаться внутри него. Такой сальник будет препятствовать попаданию гравия в фильтр во время засыпки.

. Опускают в водоподъемные трубы воздушные трубы эрлифта. Подключают компрессор и в течение 60 минут проводят откачку.

. После выноса 1 м3 песка откачиваемая вода через отстойник направляется в межтрубное пространство.

. При циркуляции, когда вся откачеваемая вода уходит обратно в скважину, начинают засыпку гравия, объем гравия замеряют; при снижении интенсивности циркуляции объем гравия также уменьшают. Засыпать гравий до полного прекращения циркуляции нельзя, так как может образоваться гравийная пробка. С увеличением интенсивности циркуляции скорость засыпки гравия увеличивается.

. Не прекращая откачку, пакерный узел опускают на 1 м ниже. Далее повторяют операции по засыпке гравия. После прекращения пескования из второго интервала водоносного пласта, не прекращая откачку, пакерный узел спускают еще на 1м. Описанные операции повторяют до тех пор, пока не будет пройден весь водоносный пласт.

. Если при очередном спускании водоподъемных труб пакерное устройство встретит песчаную пробку, надо приподнять и, не прекращая откачку, опустить их медленно, чтобы удалить их через отверстие для размыва песчаных пробок внизу пакерного узла.

. После окончания засыпки гравия по всей длине каркаса фильтра, не прекращая откачку, трубы медленно поднимают вверх. Откачку проводят до прекращения пескования.

. Воздушными труба разбивают диск на конце пакерного узла и проводят откачку из всего фильтра, затем извлекают из скважины эрлифт с пакером.

. Отстойник засыпают гравием, после чего скважина готова к проведению пробных и кустовых откачек с помощью погружного насоса.

2.12.3 Расчет эрлифта

Проектом предусматривается концентрическая схема расположения воздухопроводящих и водоподъемных труб. Для расчета эрлифта определяют глубину погружения смесителя, давление воздуха, расход воздуха и размер воздухоподающих и водоподъемных труб.

. Глубина погружения смесителя:

, (2.54)

где - коэффициент погружения смесителя, зависящий от динамического уровня :

Для  принимаем . Тогда

. Удельный расход воздуха:

,  (2.55)

где с - опытный коэффициент, зависящий от коэффициента погружения смесителя :

Для принимаем с=12. Тогда:

. Полный расход воздуха, необходимый для получения заданного расхода воды:

. (2.56)

. Давление воздуха при пуске компрессора:

, (2.57)

где g - ускорение свободного падения, м/с2; - плотность воды, кг/м3.

. Рабочее давление воздуха:

 (2.58)

. Расход водовоздушной смеси непосредственно выше смесителя:

, (2.59)

где Ра - атмосферное давление (Ра=0,1 МПа).

. Расход водовоздушной смеси на уровне излива:

 (2.60)

. Площади сечения канала водоподъёмных труб непосредственно выше смесителя F1и на уровне излива F2:

 (2.61)

где  - скорости движения водовоздушной смеси у смесителя и на изливе, определяемые в зависимости от глубины динамического уровня воды в скважине по табл.:

Для  принимаем  Тогда:

. Внутренний диаметр водоподъёмной трубы непосредственно выше смесителя при концентрическом расположении труб:

 (2.62)

где - наружный диаметр воздухопроводящих труб, м.  зависит от полного расхода воздуха :

Для выбираем трубы 43/34 мм; =43*10-3 м, тогда:

.

. Внутренний диаметр водоподъёмной трубы на изливе при концентрическом расположении труб:

. (2.63)

.

Водоподъемные трубы выбираются, исходя из наибольшего диаметра, полученного при расчетах по формулам (2.62), (2.63). Выбираем водоподъемные трубы 89/79 мм с ниппельным соединением [6].

. Производительность компрессора:

 (2.64)

. Рабочее давление компрессора:

 (2.65)

где - суммарные потери давления в воздушной линии от компрессора до скважины, принимается равным 0,05 МПа.