книги из ГПНТБ / Опытно-фильтрационные работы

Более совершенной является конструкция скважины с установ­ кой фильтра «впотай». При больших глубинах бурения в ряде случаев затрубная цементация до устья может быть заменена подбашмачной. Это следует делать лишь в тех случаях, когда исключена гидравлическая связь водоносных горизонтов (потери напоров и загрязнение подземных вод).

При производстве манжетной цементации на какой-либо интер­ вал, но не до устья скважины следует иметь в виду, что затраты средств и времени мало отличаются от соответствующих затрат при затрубной цементации обсадных колонн до устья, в то время как хорошее качество цементажа при этом гарантировать трудно.

Манжетная цементация должна производиться после работ по разглинизации, в противном случае фильтр и сам водоносный пласт будут длительное время находиться в контакте с гли'нистым раствором и это усложнит работы по разглинизации.

Применение подбашмачной цементации обусловливает наличие в конструкции скважины участка обсадной колонны, которая не­ посредственно контактирует с породой. Если скважина после про­ ведения опытных работ будет передаваться в эксплуатацию (сель­ скохозяйственное или промышленное водоснабжение) и подземные воды агрессивны к металлу, то применять такую конструкцию нельзя из-за возможности коррозии и преждевременного выхода обсадной колонны из строя-

В ряде случаев (большая глубина скважин, частое переслаива­ ние пород разной твердости, агрессивность подземных вод) могут применяться обсадные колонны (в том числе и хвостовики) с за­ трубной цементацией с последующим прострелом перфораторами или вскрытием гидропескоструйным способом.

Разглинизации водоносных горизонтов и фильтров наиболее эффективно производится комбинированным способом ВСЕГИНГЕО [9]. При относительно небольших фильтрах (до 5—8 м) по­ следние можно вводить в пласт размывом чистой водой — расход­ ной [5]. Хорошие результаты обеспечиваются при способе вскрытия пласта с использованием чистой воды при избыточном давлении и с последующим оборудованием скважины фильтром.

Если бурение ведется в рыхлых породах и необходимо опробо­ вать все встреченные водоносные горизонты, то существующие спо­ собы опробования требуют обсадки скважины трубами, установ­ ки фильтра, его разглинизации и последующей откачки. Такая схема опробования требует смены диаметра бурения, что приводит к тому обстоятельству, что практически более двух-трех опробова­ ний в одной скважине провести нельзя. Известны случаи (Костром­ ская ГЭС и др.), когда для таких исследований приходится за­ кладывать не одну, а две скважины: одна скважина опробует два верхних водоносных горизонта, другая — два нижних.

Большой интерес представляет предложенная В. И. Блажковым [5] схема раздельного опробования водоносных горизонтов, кото­ рые каптируются одной колонной. Изоляция фильтров друг ,от

10

друга достигается установкой цементных пробок (мостов) и специальной водоподъемной колонной с эластичным сальником. Опробование водоносных горизонтов производится раздельно свер­ ху — вниз. После извлечения водоподъемных труб может быть произведено суммарное опробование всех водоносных горизон­ тов [14].

Следует особо отметить, что данная конструкция скважины не требует производства затрубной цементации.

Разглинизация при этом способе опробования производится либо комбинированным способом, либо обратновсасывающей про­ мывкой через окна в нижней части фильтра, что обеспечивает получение дебитов, близких к дебитам скважин ударного бурения. Указанная конструкция скважины позволяет без потери диаметра произвести опробование до 5 водоносных горизонтов в одном ство­ ле скважины, обеспечивает высокую производительность и каче­ ство опробования, малую металлоемкость конструкции скважины и отсутствие необходимости затрубной цементации. Наконец, при этой конструкции бурение ствола скважины ведется одним диа­ метром.

Описанная конструкция скважин прошла длительную производ­ ственную проверку в условиях Краснодарского края и других об­ ластей страны, где бурение разведочных гидрогеологических сква­ жин ведется в рыхлых отложениях.

Если опробованию подлежат два водоносных горизонта, представленных рыхлыми песками и трещиноватыми известня­ ками, то предусматривается конструкция скважины с двумя фильтрами.

Разглинизация водоносных горизонтов и их опробование про­ изводятся раздельно. Изоляция фильтров друг от друга дости­ гается установкой цементной пробки внутри колонны.

В рыхлых породах при устойчивой кровле успешно могут быть применены бесфильтровые скважины [13].

Изоляция испытуемого водоносного горизонта от вышележащих водоносных горизонтов и поверхностных вод достигается обычно с помощью одной, реже двух обсадных колонн. Тампонаж чаще всего производится с помощью задавливания башмака в глинис­ тые породы или с помощью подбашмачной цементации. С поверх­ ности земли на глубину около 0,5 м делается цементный или гли­ нистый замок. Верхняя часть фильтровой колонны оборудуется охранным оголовком.

Если в разрезе имеется несколько водоносных горизонтов, то над фильтром рекомендуется устанавливать эластичней тампон (по типу конструкции скважины, изображенной на рйс. 1, либо опускать промежуточную обсадную колонну).

Установку фильтра в наблюдательные скважины рекомендуется производить без применения глинистой промывки. Если применяет­ ся глинистая промывка, то необходима тщательная разглини­ зация.

И

В настоящее время неглубокие пьезометрические скважины (до

стремя фильтрами. ления центральных скважин. Сле­

а— опробование первого {[) водоносного дует отметить, что в этом случае горизонта; 6 — опробование второго (//) необходима затрубная цемента­в —горизонта}водоносного опробование

§ 2. ФИЛЬТРЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН

При выборе фильтров эксплуатационных скважин наряду с обеспечением незначительных сопротивлений в начальный период эксплуатации должно выполняться условие сохранения устойчивой их работы во времени при развитии процессов химического и механического кольматажа, а также в связи с коррозией водопри­ емной части скважин. Этим требованиям соответствуют указания

12

по применению фильтров, приведенные в СН-325—65. Согласно этим требованиям в породах различного гранулометрического со­ става целесообразно устанавливать металлические фильтры на основе трубчатых или стержневых каркасов с водоприемной по­ верхностью из проволочной обмотки, стального штампованного листа или сеток различного плетения. При необходимости устрой­ ства скважин в мелкозернистых и тонкозернистых песках наилуч­ шие гидравлические характеристики имеют фильтры с рыхлой гравийной обсыпкой со стержневым или трубчатым каркасом. Трубчатые и стержневые фильтры с проволочным, сетчатым покры­ тием и водоприемной поверхностью из штампованного листа вы­ пускаются Дрогобычским экспериментальным заводом специаль­ ного оборудования и газовой аппаратуры Министерства газовой промышленности СССР.

На глубинах до 50 м возможно применение фильтров на основе трубчатых каркасов из твердого поливинилхлорида с круглой или щелевой перфорацией. До глубины 150 м опробована установка фильтров на основе полиэтиленовых труб. Блочные фильтры могут применяться при небольшой проектной производительности сква­ жин (как правило, до 5 л/сек). Не рекомендуется установка этих фильтров в скважинах, пробуренных с применением глинистого раствора и в глинистых песках. Кроме трубчатых и стержневых каркасов при оборудовании опытных скважин могут использовать­ ся каркасы из штампованной листовой стали с толщиной стенки 4—7 мм.

Следует отметить, что при удовлетворении конструкции сква­ жины требованиям СН-325—65 обеспечиваются необходимые проч­ ностные характеристики фильтров и рациональное сочетание вида водоприемной поверхности и типа опорного каркаса.

Однако при гидрогеологических исследованиях наряду с обес­ печением механической устойчивости и устранением длительных суффозионных явлений в призабойных зонах скважин необходимо соблюдение гидравлических требований, сводящихся к наимень­ шему искажению фильтрационного потока вблизи скважины и по­ лучению максимально возможных дебитов скважин для характе­ ристики в ходе откачки большей зоны пласта.

При изменении проницаемости призабойной зоны в процессе бурения и освоения скважины в максимальной степени сказывает­ ся ее уменьшение. При увеличении проницаемости призабойной зоны гидравлические потери в ней несущественны и соответственно незначительно влияют на рассчитываемые параметры пласта по одиночным скважинам.

При выборе конструкции фильтра необходимо учитывать, что наименьшие гидравлические потери наблюдаются при использова­ нии фильтров каркасно-стержневого типа с гравийной обсыпкой. Данные о проницаемости фильтров различных конструкций в за­ висимости от скважности, полученные экспериментально Клотцем [34], приведены на рис. 2.

13

Проницаемость фильтра определялась на основе изучения ха­ рактера деформации потока грунтовых вод при оценке его скорости радиоинднкаторным методом (по скорости разбавления индикато­ ра). Известно, что количественно степень нарушения фильтрацион­ ного потока скважины оценивается коэффициентом а, входящим в формулу для расчета естественной скорости потока подземных вод

где Г\ — внутренний радиус фильтра; Го — радиус детектора; с концентрация индикатора во время t\ с0 — концентрация индика-

Рис. 2. Графики зависимости проницаемости фильт­ ров различного типа от скважности (по Клотцу).

тора в начале измерений при t = 0; а — показатель, характери­ зующий степень нарушения фильтрационного потока поверхностью

фильтра.

Если буровая скважина каптирует однородный водоносный пласт, то как показано С. А. Колем [25] а = 2. Если же в одно­ родном водоносном пласте с проницаемостью £2 установлен фильтр с заданной проницаемостью k\ без гравийной обсыпки, то согласно решению Н. А. Огильви [23] величину а можно выразить фор­

мулой

где г2— наружный радиус фильтра.

14

Величина а определялась на основе радиоиндикаторных иссле­ дований и последующего расчета проницаемости фильтра k2 при известной проницаемости гравийной обсыпки и водоносных пород. При этом теоретически фильтр рассматривался как пористая сре­ да, в которой действителен закон Дарси. Согласно указанным исследованиям во всех случаях в центральных скважинах опытных кустов и в разведочно-эксплуатационных скважинах предпочти­ тельнее применение фильтров со скважностью более 15%. При этом дополнительные потери напора, обусловленные фильтром, оказываются небольшими и их можно не учитывать при фильтра­ ционных расчетах. Проектирование опытных скважин с увеличен­ ной (в сравнении с пластовой) проницаемостью призабойной зоны и с фильтрами высокой скважности, кроме того, позволяет избе­ жать наложения нестационарного изменения сопротивления сква­ жины, обусловленного химическим кольматажем, на изменение уровней в центральной скважине или в группе опытных скважин при длительной откачке. Известно [1; 20], что сопротивление, обу­ словленное химическим кольматажем, изменяется по закону, близ­ кому к экспоненциальному, но с некоторым периодом запаздыва­ ния, который в случае высокопроницаемых фильтров при заборе железосодержащих вод находится в пределах 1,5—2 лет.

При применении в скважинах, предназначенных для проведения опытно-эксплуатационных откачек, фильтров блочного типа, а так­ же сетчатых конструкций, имеющих значительные входные сопро­ тивления, неустановившийся характер изменения понижения уровня определяется не только нестационарностью процесса фильтрации, но и кольматажем фильтров. Для фильтров, имеющих сниженную по сравнению с пластом проницаемость, изменение удельных де­

где qt — текущий удельный дебит, л/сек; q0— начальный удельный

кущего удельного дебита скважин при <7 о = 1 л/сек в течение 6 месяцев откачки.

15

Ориентировочные расчеты показывают, что при применении фильтров с высокими начальными сопротивлениями при откачке с постоянным расходом практически очень трудно добиться ста­ билизации уровня в центральной скважине и ни в коей мере нельзя относить нестационарность в изменении понижения уровня за счет закономерностей фильтрации в недеформируемой водоносной

среде.

Наиболее предпочтительно в опытных скважинах устраивать гравийные фильтры. Оборудование скважин такими фильтрами особенно упрощается при использовании роторного бурения с обратной промывкой забоя чистой водой, обеспечивающего про­ ходку скважин большого диаметра. При подборе обсыпок следует

Нижние пределы значений размеров отверстий для щелевых фильтров следует принимать со щелями, ориентированными в го­ ризонтальной плоскости.

16

При выборе диаметра фильтров, как правило, основываются на конструктивных соображениях, исходя из габаритов насосного оборудования, способного обеспечить требуемый водоотбор, а так­ же из возможностей бурового оборудования. При определении дли­ ны фильтра до настоящего времени при проведении опытных ра­ бот существует тенденция к устройству совершенных по степени вскрытия пласта скважин. Однако в большинстве случаев, даже в пластах незначительной мощности, это не имеет смысла. Альберт­ соном, Петерсоном и Ровером [35] аналитически и эксперимен-

тально было показано, что при-^* > 6 гидравлические потери на скважине и, следовательно, приток к ней остаются постоянными

экспериментально установлено, что до 80% суммарного расхода скважины приходится на 30—40% длины фильтра. Многочислен­ ные опытные данные по расходометрии скважин в однородных пластах также свидетельствуют о существенной неравномерности нагрузки фильтров скважин.

При выборе длины фильтра можно воспользоваться приемом, основанном на том факте, что показатель сопротивления скважин, обусловленный несовершенством по степени вскрытия пласта, уменьшается с увеличением длины фильтра и при І/т = 0,8—0,9 становится незначительным. Суммарное же сопротивление фильтра прямо пропорционально его длинеЭто можно объяснить, если представить, что однородный водоносный пласт оборудован фильт­ ром лишь частично, а некоторая зона ствола скважины сохраняет устойчивость без крепления ее фильтром. Очевидно, что дополни­ тельное сопротивление будет сказываться только на участке уста­ новки фильтров.

В результате получим, что суммарное сопротивление, связан­ ное с конструктивными особенностями скважины, имеет оптималь­ ную величину, поскольку сопротивление, обусловленное несовер­ шенством по степени вскрытия пласта, уменьшается с увеличением длины фильтра, а потери напора из-за несовершенства скважин по характеру вскрытия пласта увеличиваются при большей длине фильтра. По этой причине увеличение длины фильтра гидродина­ мически несовершенной скважины не приводит к приросту ее рас­ хода при заданном понижении уровня. В максимальной степени это справедливо при использовании в скважине фильтров с боль­ шими сопротивлениями (сетчатого, блочного, фильтров-каркасов с малой скважностью). Для иллюстрации применения этого метода подбора длины сетчатого фильтра воспользуемся результатами исследований сопротивлений сетчатых фильтров на каркасе из пер­ форированной трубы с сеткой галунного плетения № 12/90. Гра­ фики изменения сопротивлений £гф сетчатого фильтра в зависимос­

ти от числа отверстий п на каркасе диаметром D приведены на рис. 3.

17

Пример расчета. Необходимо выбрать длину фильтра скважины с водоприемной поверхностью из сетки галунного плетения № 12/90 на каркасе из трубы с круглыми отверстиями. Мощность напорного водоносного горизонта 10 м, диаметр фильтра при предполагаемой откачке эрлифтом принимается равным 100 мм. При подборе длины фильтра удобно производить построение совмещенных графиков зависимости Сі и С2фот //т. В рассматриваемом примере при диаметре перфора-

da

ции а0=20 мм и а=-0 =0,2 сопротивления сетчатого фильтра при скважности 24,

лыми входными сопротивлениями отношение І/т может приниматься равным 0,7—0,8.

Изложенные рекомендации по устройству и подбору фильтров позволяют в общем случае производить обоснованное проектиро­ вание опытных скважин. При этом в ходе откачки обеспечиваются достаточно большие понижения уровней в наблюдательных сква­ жинах и, следовательно, повышается точность гидрогеологических исследований. Но несмотря на обеспечение минимальных гидрав­ лических потерь на фильтрах скважин оценивать параметры плас­ тов по центральной скважине обычно нецелесообразно. Это связано с нерегулируемыми и трудно поддающимися учету деформациями пород в призабойной зоне скважины в процессе ее бурения и освоения. Обследование вновь пробуренных и находившихся в эксплуа-

18