Оборудование скважин фильтрами
Типы фильтров
Под фильтром обычно понимают специальное устройство, устанавливаемое в скважине против водоносного горизонта, которое обеспечивает свободный доступ внутрь скважины чистой, без примеси, воды и одновременно предохраняет ствол скважины от обрушения.
Фильтры устанавливают только в рыхлых и неустойчивых породах. В скважину опускают фильтровую колонну, которая состоит из надфильтровой части, рабочей части, или собственно фильтра, и отстойника с пробкой. Отстойник служит для осаждения прошедших через рабочую часть фильтра частиц породы.
Все существующие фильтры могут быть разделены на: а) дырчатые, или щелевые; б) проволочные; в) сетчатые; г) гравийные и д) гравитационные.
Самым простым видом фильтра является труба-каркас с круглыми или щелевыми отверстиями. Фильтровые трубы, каркасы изготовляют из стальных, чугунных, деревянных, пластмассовых, асбестоцементных и реже – из керамических и гончарных труб. При выборе материала для фильтровых каркасов учитываются их коррозионная устойчивость, возможность механической обработки и прочность. Для изготовления каркасов трубы перфорируют.
Применяются штампованные фильтры из нержавеющей стали, меди или черных металлов с антикоррозийными покрытиями.
Каркасно-стержневые фильтры изготовляют из металлических стержней диаметрами 12–18 мм, укрепляемых на опорных фланцах.
Фильтры с проволочной обмоткой изготовляют как трубчатые, так и стержневые. Шаг обмотки спирали из круглой проволоки диаметром 1,5–3 мм или другого (например, трапецеидального, треугольного) сечения устанавливается в соответствии с гранулометрическим составом пород водоносного горизонта.
Оплетку проволокой делают поверх трубчатого или стержневого каркаса. Проволочный фильтр сверху может быть покрыт сеткой.
Сетчатые фильтры состоят из дырчатой трубы-каркаса, обмотанной продольными рядами или по спирали проволокой диаметром 2–5 мм с шагом в 10–25 мм с тем, чтобы сетка не прилегала плотно к каркасу.
На проволочное покрытие натягивают сетку, которую припаивают, сшивают или склеивают на концах и по шву.
Для изготовления сетчатых фильтров используются сетки нескольких типов: а) простая квадратная; б) гладкого или галунного плетения; в) киперная или саржевая.
В качестве материала для сетки используют медь, латунь, нержавеющую сталь, пластмассы, ткани из стекловолокна, нить капрона, нейлона и другие синтетические материалы. Для предупреждения электрохимической коррозии каркас фильтра изготовляют часто из неметаллических труб. В некоторых случаях стальной каркас обтягивают сеткой и проволокой из нержавеющей стали или же применяют сетки из пластических масс.
Сетчатые фильтры не рекомендуются для однородных мелкозернистых песков, а также для слюдистых водоносных песков, т. к. при этом не обеспечивается нормальная работа фильтра – уменьшается его скважность. Получили распространение сетки из стекловолокна: окна могут быть использованы в водах любого химического состава.
Сетчатые фильтры с успехом могут заменяться поролоновыми. Такие фильтры используются при оборудовании опытных и водозаборных скважин технического назначения. Рекомендуются поролоновые покрытия для рыхлых песчаных пород. Они стойки к агрессивным средам, просты в изготовлении, не дороги. Для их создания применяют поролон толщиной 5–10 мм.
Гравийные фильтры состоят из каркаса с проволочной обмоткой или сеткой и гравийной обсыпки. По способу изготовления различают гравийные фильтры, приготовляемые на поверхности и непосредственно в скважине. Первые устраивают в виде гравийно-кожуховых или корзинчатых. В обоих случаях гравий засыпают на поверхности в сетчатый кожух или специальные чугунные или стальные корзинки, укрепляемые на фильтровой трубе. Собранный фильтр спускают в скважину.
При устройстве гравийного фильтра в скважине засыпка гравия в зафильтровое пространство производится одновременно с извлечением из скважины временной колонны обсадных труб, перекрывающих водоносный горизонт.
Гравийные фильтры изготовляют в виде цилиндров различной длины и толщины. Фильтрующее покрытие выполняется в виде трубчатых блоков из гравия, щебня, дробленого шамота или огнеупорных глин с различными связующими материалами – цементом, битумом, клеем БФ-4, бакелитовым лаком, резиной и др., с помощью которых создается жесткая пористая структура фильтровых блоков.
Для глубоких скважин, пробуренных ударным и вращательным способами, известна конструкция бескаркасного керамического фильтра. Отдельные блоки его собирают в звено длиной 2,5–3,5 м с помощью арматурных стержней, изготовленных из стеклопластика или капрона.
Работа гравитационных фильтров основана на использовании принципа гравитационного отделения частиц породы из фильтрующейся среды. Вода попадает в фильтр через породу, располагающуюся перед входными отверстиями фильтра под углом естественного откоса.
Выбор конструкции фильтра производят в соответствии с составом водоносных пород, глубиной скважины, степенью агрессивности подземных вод, а также сроком действия скважин и их целевым назначением.
Конструкция скважин
Конечный диаметр скважины во многом определяется типом фильтра, его размерами.
Скважины с водоприемной частью в виде дырчатых или сетчатых фильтров без обсыпки их гравием имеют минимальный конечный диаметр. При применении фильтров с гравийной засыпкой конечный диаметр скважин увеличивается на 50–100 мм и более по сравнению со скважинами, оборудованными фильтрами других конструкций. При выборе диаметра фильтра, если размеры его не определяются какими-либо другими условиями, следует учитывать, что при диаметре фильтра менее 100 мм сильно снижается водообильность скважин.
Конструкция скважин определяется типом, размерами и местом установки водоподъемного оборудования. При установке насоса в фильтре диаметр его, а соответственно и конечный диаметр скважины, будут зависеть от размеров насоса. Если требуется установить насос большей производительности, его помещают над фильтром, в эксплуатационной колонне. В этом случае диаметр ее, называемый эффективным, также определяется поперечными размерами насоса. Для облегчения монтажа насоса, производства ремонтных работ и наблюдений за положением динамического уровня в скважине величину зазора между наружным диаметром корпуса насоса и внутренним диаметром эксплуатационной колонны принимают в пределах до 50 мм. Однако значительное увеличение эффективного диаметра приводит к утяжелению конструкции скважины и удорожанию стоимости работ. Во всех случаях конструкция скважины должна обеспечивать получение необходимого количества воды при минимальном снижении статического уровня. В остальном выбор и расчет конструкции скважин на воду осуществляется так же, как и скважин, проходимых на нефть или газ, т. е. с учетом применяемых типов и размеров долот, их соотношения с обсадными трубами, с расчетом на тампонажные работы.
Спуск фильтров в скважину может производиться на бурильных трубах или на колонне обсадных труб. При спуске фильтров на бурильных трубах применяется спускной ключ.
В отдельных случаях может быть применен центрирующий фонарь. При установке фильтра в скважину с неустойчивыми стенками, пройденную ударно-механическим способом, спуск его производится под защитой временной колонны обсадных труб, которую задавливают в нижний водоупор. После углубки скважины на длину отстойника в нее опускают фильтровую колонну. Обсадные трубы приподнимают на высоту фильтра или полностью извлекают из скважины. При эксплуатации нескольких водоносных горизонтов в скважину спускают ярусный фильтр, состоящий из ряда необходимых фильтров, расположенных против каждого горизонта. Напротив неводоносных пластов устанавливают сплошные трубы, соединяющие фильтры между собой. Для того чтобы песок и другие частицы пород не попадали в скважину, кольцевой зазор между надфильтровыми трубами, установленными «впотай», и обсадными трубами, уплотняют специальными сальниками, конструкция которых определяется материалом, из которого они изготовляются. В качестве последнего используются дерево, пенька, резина, свинец и др. При установке гравийного фильтра вместо сальника в зазор между надфильтровой и обсадной трубами засыпается крупный гравий, высота засыпки должна быть не менее 5 м.
В некоторых случаях фильтр спускается на колонне обсадных труб, выходящих на поверхность.
В устойчивых скальных породах водоносные горизонты могут эксплуатироваться «открытым стволом», т. е. без установки фильтра в интервале водоносного горизонта.
Для условий Беларуси широкое распространение получили безфильтровые водозаборные скважины, эксплуатирующие рыхлые породы – водоносные пески, залегающие под устойчивыми (обычно мелами или плотными девонскими глинами) выдержанными по мощности пластами путем разработки водоприемных каверн (полостей) с большой водозахватной способностью.
Насосы
Для осуществления опытных откачек, водоснабжения и водопонижения используют разнообразные водоподъемные устройства: а) поверхностные – горизонтальные поршневые и центробежные насосы; б) погружные – штанговые поршневые насосы; в) вибрационные насосы; г) глубинные артезианские центробежные насосы с вертикальным валом и двигателем на поверхности, а также с погружным электродвигателем; д) эрлифты и водоструйные насосы.
Выбор типа водоподъемника определяется размерами эксплуатационной колонны, потребным дебитом и положением динамического уровня воды в скважине.
Горизонтальные поршневые и центробежные насосы применяются для откачек при глубине динамического уровня не ниже 6–7 м.
Наиболее удобны самовсасывающие центробежные насосы, смонтированные на тележках. Насосы могут быть использованы для откачки загрязненных вод. Кроме них применяются вихревые центробежные насосы, секционные центробежные, консольные заливные центробежные насосы и др.
Штанговые насосы простого и двойного действия применяются для откачки подземных вод при глубине динамического уровня ниже 6–8 м (до 100 м и более) при сравнительно небольших дебитах.
Штанговый насос простого действия состоит из приемного фильтра, укрепленного на насосном цилиндре, клапана, поршня с клапаном и манжетами. Насос монтируется в скважине на водоподъемных трубах, подвешиваемых с помощью хомутов в колонне обсадных труб. Поршень спускается в водоподъемные трубы на штангах, на шарнирных хомутах так, чтобы поршень не доходил на 20–30 мм до приемного клапана насосного цилиндра.
Для производства опытных откачек воды из скважин штанговыми насосами простого и двойного действия применяются различные агрегаты-качалки.
При гидрогеологических откачках воды из скважин с динамическим уровнем больше 100 м и при небольших дебитах применяют глубинные поршневые и скальчатые насосы с качалками, используемые в нефтяной промышленности.
В винтовых артезианских насосах (ВАН) подача воды достигается вытеснением определенных объемов воды, заключенных в полостях между винтом и резиновой обоймой. Артезианские насосы ВАН используются для откачек воды из скважин при динамических уровнях до 100 м.
Артезианские центробежные погружные насосы с вертикальным валом и двигателем на поверхности применяются в практике водоснабжения и водопонижения. Наибольшее распространение имеют насосы типа АТН, используемые в скважинах диаметром 200–400 мм при подаче 30–400 м3/ч с напором до 100 м. В насосном аппарате применяются рабочие колеса открытого и закрытого типов. Кроме них используются глубинные насосы типа НА и А для скважин большого диаметра с подачей воды до 1200 м3/ч. Проточная полость у них аналогична насосному аппарату АТН. Однако весьма существенные недостатки глубинных насосов – наличие длинного приводного вала от электродвигателя на поверхности к насосу в скважине; сложность монтажа, значительная металло- и энергоемкость, быстрый износ – все это послужило причиной замены их, там где это рационально, более совершенными погружными насосами.
Артезианские насосы с погружным электродвигателем получают все большее распространение при гидрогеологических исследованиях, для водоснабжения, при осушительных и водопонизительных работах.
Привод погружных насосов обеспечивается в основном водозаполненным асинхронным трехфазным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, статорная обмотка которого выполняется из провода с изоляцией на полиэтиленовой или полихлорвиниловой основе. Такие электродвигатели просты по конструкции и надежны в работе.
Артезианские насосы с погружным электродвигателем выпускаются различных серий: 1) АП и АПВ; 2) ЭЦВ; 3) ЭПЛ; 4) ЭПНЛ и ЭПН.
В насосе ЭПН рабочий аппарат, выполненный в виде вертикального многоступенчатого центробежного насоса с неразгруженными рабочими колесами, соединен с водонаполненным электродвигателем с принудительным проточным охлаждением.
Эрлифты или воздушные подъемники находят широкое применение для откачки воды с песком и в тех случаях, когда необходимо получить большое количество воды при сравнительно небольших размерах скважин. В практике работ применяются схемы установки эрлифтов, отличающиеся расположением в скважине воздухоподводных и водоподъемных труб.
Действие эрлифта основано на принципе двух сообщающихся сосудов, заполненных жидкостями разного удельного веса. В эрлифтную установку входят: а) компрессор с двигателем и воздухосборником;
б) водоподъемные трубы со смесителем и приемным баком; в) компрессорные трубы от компрессора к скважине.
Водоструйные насосы или гидроэлеваторы находят применение при производстве строительных работ, при водопонижении в виде гидроэжекторных установок и при гидрогеологических исследованиях скважин. Водоструйные насосы в виде специальных устройств – испытателей пластов – находят применение при ускоренном опробовании водоносных горизонтов. В испытателях пластов водоструйный насос конструктивно связан с временным тампонажным устройством – пакером. В основу действия водоструйного насоса положен принцип непосредственной передачи кинетической энергии одного потока (подаваемого с поверхности) к другому с меньшим запасом энергии (жидкости, поднимаемой погружным насосом на поверхность). Рабочая вода под некоторым давлением подводится к насадке, через которую с большой скоростью попадает в камеру смешения и далее через напорный трубопровод на поверхность. Вода из скважины поступает (в связи с образуемым разрежением в эжекционном аппарате) в камеру смешения, увлекается рабочей струей жидкости и также выносится на поверхность.
Достоинством этих насосов является возможность перекачивать мутную воду, недостатком – низкий к. п. д. (не выше 40 %).
Для откачки мутной воды, содержащей частички глины, песка и даже шлама и гравия могут быть также применены вибрационные насосы. Насосная установка состоит из вибратора, установленного на поверхности, и водоподъемных труб, спущенных в скважину, с клапанным устройством для забора воды. На водоподъемных трубах устанавливаются направляющие фонари.
Вибрационная установка может обеспечивать подъем воды из скважины с динамическим уровнем до 30 м ниже поверхности земли.