CC BY
278
г и д р о э н е р г е т и к а
УДК 628.112
СООРУЖЕНИЕ И РЕМОНТ ВОДОЗАБОРНОЙ СКВАЖИНЫ С СИСТЕМОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ
Канд. техн. наук ИВАШЕЧКИН В. В., инж. АВТУШКО П. А.
Белорусский национальный технический университет
Как известно, конструкции эксплуатационных скважин на воду должны удовлетворять следующим основным требованиям: высококачественное вскрытие продуктивных водоносных горизонтов с тщательной изоляцией их от загрязнения; длительный срок эксплуатации с минимальным темпом снижения производительности; возможность выполнения восстановительных и ремонтных работ. Также известно, что основными причинами выхода скважин из строя являются пескование и недопустимое снижение производительности в результате кольматации фильтра.
Для обеспечения ремонтопригодности в процессе эксплуатации скважины должны оборудоваться прочными коррозионно-устойчивыми фильтрами, иметь достаточный диаметр для спуска необходимого оборудования, выдерживать импульсное и реагентное воздействие. Во всех традиционных конструкциях скважин указанные виды воздействий на кольматирующие отложения производятся изнутри фильтра. Однако большая часть отложений находится в прифильтровой зоне снаружи водоприемной поверхности, поэтому эффективность их разрушения и извлечения известными методами невысока, что приводит к неуклонному снижению производительности и сказывается на долговечности скважин, которая для условий минских водозаборов не превышает 20-25 лет. В то же время долговечность скважин можно увеличить до 50 лет и более, если снабдить их при сооружении за-трубной системой реагентной промывки, смонтированной в гравийной обсыпке фильтра. Это позволит доставлять реагент в любую точку закольма-тированной гравийной обсыпки и регулярно удалять загрязнения. С целью модернизации устаревших конструкций скважин в БНТУ разработана новая конструкция долговечной скважины с затрубной системой реагентной промывки [1, 2].
Новая конструкция также позволяет надежно и с минимальными затратами осуществлять извлечение и замену фильтра, что существенно отличает
ее от стандартных ремонтопригодных конструкций скважин с фильтрами, установленными «впотай».
При установке фильтра «впотай» верх его надфильтровой трубы выводят на 3-10 м над башмаком эксплуатационной колонны, а кольцевое пространство закрепляют гравийным или специальным сальником. Извлечение фильтра при капитальном ремонте такой скважины предполагает спуск ло-вильного инструмента на бурильных трубах, захват вышедшего из строя фильтра и его извлечение домкратами, проработку ствола долотом, опущенным на бурильной трубе, и спуск нового фильтра. Однако на практике извлечь фильтр удается только в самых редких случаях из-за трудности надежного захвата фильтра, находящегося, как правило, на большой глубине, больших сил сцепления фильтра с породой и опасности разрыва секций фильтра по сварным швам. Поэтому чаще всего капремонт скважины сводится к установке нового фильтра меньшего диаметра вовнутрь вышедшего из строя фильтра (если позволяет внутренний диаметр) с обсыпкой внутреннего фильтра. Скважина после капремонта теряет дебит, быстро кольма-тируется, становится практически непригодной для текущих ремонтов и служит недолго. Кроме того, опыт эксплуатации скважин с фильтром «впотай» показал, что они часто пескуют через сальник, который разрушается вследствие роста перепада давления на нем при кольматации фильтра и снижения уровня воды в скважине. Поэтому такие ремонтопригодные скважины ненадежны. Тампонаж вышедшей из строя скважины и сооружение новой приводят к неоправданному расходованию средств.
Новая конструкция скважины [1, 2] имеет неизвлекаемый кондуктор, установленный до кровли водоносного горизонта и специальную захватную резьбовую муфту в отстойнике, которые обеспечивают извлечение и замену фильтра.
Рассмотрим технологию строительства, регенерации и реконструкцию новой водозаборной скважины.
Сооружение скважины. Технологическая последовательность сооружения новой водозаборной скважины представлена на рис. 1.
После бурения разведочной скважины 1 (рис. 1а) бурится ствол 2 под кондуктор практически до кровли эксплуатационного водоносного горизонта (рис. 1б). Далее в скважину опускается кондуктор 3 (рис. 1в) и на всю его высоту производится затрубная цементация 4 (рис. 1г). Образовавшуюся цементную пробку 5 выбуривают при вскрытии эксплуатационного водоносного горизонта (рис. 1д). В открытый ствол 6 последовательно опускают фильтровую 7 и эксплуатационную 8 колонны труб (рис. 1е), предварительно прикрепив к ним при помощи захватных приспособлений 9 циркуляционные трубки 10 с фильтрами 11. Фильтр 7 водозаборной скважины и фильтры 11 циркуляционных трубок обсыпают фильтрующей засыпкой 12 до тех пор, пока ее уровень не поднимется на 5-6 м выше башмака кондуктора (рис. 1ж). После производства строительной откачки и дезинфекции скважины определяется положение верхнего уровня фильтрующей засыпки и при необходимости ее досыпают. Затем к кондуктору приваривают плиту 13 для герметизации межтрубного пространства и закрепления устьев циркуляционных трубок, а к устью водозаборной скважины приваривают фланец 14 (рис. 1з). Скважину заканчивают.
Рис. 1. Технологическая последовательность бурения водозаборной скважины: 1 - ствол разведочной скважины; 2 - ствол скважины для кондуктора; 3 - кондуктор; 4 - затрубная цементация; 5 - цементная пробка; 6 - ствол скважины для фильтровой колонны; 7 -фильтровая колонна с отстойником; 8 - эксплуатационная колонна; 9 - захватное приспособление; 10 - циркуляционные трубки; 11 - фильтры циркуляционных трубок; 12 - фильтрующая засыпка; 13 - герметизирующая плита; 14 - герметичный оголовок; 15 - резьбовая
захватная муфта
Поддержание стабильной работы скважины. Основное назначение циркуляционных трубок заключается в получении доступа в прифильтро-вую зону водозаборной скважины с целью осуществления там циркуляции реагента. Кроме того, циркуляционные трубки используются в качестве за-трубных пьезометров для контроля пьезометрического уровня подземных вод за стенкой фильтра, что необходимо для мониторинга обобщенного гидравлического сопротивления. Колонна и фильтр циркуляционной трубки могут быть выполнены из полиэтиленовой трубы (ПЭ63 или ПЭ80) с наружными диаметрами от 32 до 50 мм. Такие трубы долговечны, обладают высокой химической стойкостью и механической прочностью, эластичны, являются экологически безопасными и дешевыми. Выпуск полиэтиленовых труб освоен в Республике Беларусь, и они могут поставляться в бухтах длиной до 100 м. Фильтр для упрощения конструкции может быть трубчатый (перфорированный или щелевой) без дополнительной водоприемной поверхности.
При снижении удельного дебита водозаборной скважины более чем на 25 % по отношению к начальному при бурении производится ее текущий ремонт, который предполагается осуществлять по нескольким принципиальным схемам.
Согласно первой схеме регенерации (рис. 2а) между фильтровой и над-фильтровой зонами водозаборной скважины для разрыва их гидравлической связи устанавливается пакер.
а б
Рис. 2. Водозаборная скважина в период ее регенерации реагентно-циркуляционным способом: а - с откачкой реагента из ствола скважины; б - то же из циркуляционных трубок; 1 - напорный бак; 2 - вентиль; 3 - труба выпуска газа; 4 - эрлифт; 5 - входной шланг; 6 - выходной шланг; 7 - труба подачи сжатого воздуха; 8 - герметичный оголовок; 9 - уплотнение; 10 - герметизирующая плита; 11 - затрубная цементация; 12 - нагнетательные трубы; 13 - фильтровая часть нагнетательных труб; 14 - захватное приспособление; 15 - муфта; 16 - фильтрующая засыпка; 17 - фильтр скважины; 18 - пакер
В циркуляционные скважины из бака непрерывно подается реагент, который, пройдя гравийную обсыпку, вместе с продуктами растворения откачивается из-под пакерного пространства назад в бак, откуда снова подается в циркуляционные трубки, т. е. происходит циркуляция реагента в при-фильтровой зоне.
При второй схеме регенерации (рис. 2б) предполагается задействовать только циркуляционные скважины. Например, при четырех циркуляционных трубках реагент подается из бака в две диаметрально противоположные трубки № 1 и 3, а выкачивается из трубок № 2 и 4. Для этого в откач-ные трубки № 2 и 4 опускают шланги, в которые подают сжатый воздух от компрессора. В результате система начинает работать как эрлифт и реагент из откачных трубок № 2 и 4 вместе с продуктами растворения откачивается назад в бак, откуда он снова подается в закачные трубки № 1 и 3, т. е. происходит циркуляция (рис. 2б). Затем меняют направление циркуляционного потока, производя закачку реагента в трубки № 2 и 4, и откачку из трубок № 1 и 3. Реверсирование потока реагента позволяет повысить качество регенерации прифильтровой зоны. Однако можно не ограничиваться только такой схемой циркуляции. Можно также подавать реагент в две смежные циркуляционные трубки, а откачку производить из двух других.
Контроль процесса растворения производится по стабилизации перепада уровней в откачных и закачных трубках. Для ликвидации железо- и сульфатобактерий, продукты жизнедеятельности которых также накапливаются в порах гравийной обсыпки, в циркуляционные скважины можно закачивать дезинфицирующий раствор и также производить его циркуляцию.
Для третьей схемы регенерации используется метод циклического за-давливания реагента за контур фильтра сжатым воздухом. Для задавлива-ния реагента используются циркуляционные трубки. После заливки реагента в трубки компрессором нагнетают в них воздух для отжатия уровня реагента, и компрессор отключают. Затем сбрасывают давление воздуха и газов. Раствор, отжатый за контур, возвращается в фильтровую часть циркуляционных трубок, где, смешиваясь с реагентом, повышает свою концентрацию. Время между циклами задавливания принимается равным 5-10 мин.
К четвертой схеме регенерации следует отнести комбинированную, когда для восстановления требуемого дебита скважины не ограничиваются только одной схемой или методом, а применяют сразу несколько, например циркуляционно-реагентный в комплексе с импульсным методом.
Реконструкция скважины. При снижении эффективности текущих ремонтов или выходе из строя фильтра принимается решение о реконструкции скважины, которая предполагает операции извлечения старого фильтра, его замены, выбуривания старой гравийной обсыпки и установку нового фильтра с обсыпкой его гравием. Для разработки технологии реконструкции и подбора механизмов, обеспечивающих извлечение эксплуатационной колонны с фильтром, необходимо знать диапазон возможных подъемных усилий, возникающих при извлечении. Здесь следует иметь в виду два случая: 1) фильтр закольматирован рыхлыми отложениями; 2) фильтр за-кольматирован прочными отложениями в виде цемента обрастания.
В первом случае требуемое подъемное усилие при извлечении только статической силой можно найти по формуле
Р = О + ^р, (1)
где О - общий вес извлекаемой эксплуатационной колонны и фильтра; Ртр - сила трения извлекаемых частей о породу.
Вес
О = ё (дкол4ол + ) (2)
где дкол, дф - соответственно массы 1 м. п. колонны и фильтра, имеющих длины /код и /ф.
Силу трения ^тр найдем как произведение горизонтальной составляющей N бокового давления породы и коэффициента трения / извлекаемых частей о породу
Ртр = щ. (3)
Силу N можно вычислить по методике расчета сил давления на подпорные стенки [3], которая используется для расчета напряжений в стенках скважин [4]. Конструкция скважины предусматривает установку кондукто-
ра до водоносного горизонта (рис. 1з), тогда эксплуатационная колонна находится под его защитой и не подвергается воздействию горного давления. Горное давление передается только на фильтр скважины. Поэтому сила трения при извлечении эксплуатационной колонны с фильтром действует только на внешней поверхности фильтра.
При допущении о треугольной эпюре распределения горизонтальных напряжений от горного давления по глубине, напряжения ов на верхней и нижней он отметке фильтра соответственно равны:
Св =Е Kai Yh ; (4)
С = ^ Ka, Yih + Кап YЛ , (5)
где Kai - коэффициент активного давления i-го слоя грунта толщиной h и удельным весом у,; Кап, уп - то же самое водоносного пласта; Ка = = tg2(45° - 0,5ф); ф - угол внутреннего трения грунта.
Удельный вес уп грунта водоносного пласта и других водонасыщенных грунтов определяется с учетом взвешивающего влияния воды по формуле
Yn = gPc (рп - 1000)/ Рп, (6)
где рс - объемная масса скелета грунта; рп - плотность грунта водоносного горизонта.
Горизонтальную составляющую N бокового давления породы на фильтр найдем как объем эпюры давления, действующего на фильтр длиной 1ф и наружным диаметром d§. Тогда получим
N = 0,5/ф (св +сн )%dj,. (7)
Окончательно подъемное усилие составит
Ра = g + Яф1ф ) + 0,5 Аф (св +сн )Пф. (8)
Во втором случае, когда в результате минерализации кольматирующих отложений происходит образование цемента обрастания и на фильтре образуется небольшая корка из цемента обрастания толщиной 5, подъемное усилие увеличится за счет возрастания площади трения и коэффициента трения цементной корки о гравий, который станет равным f1. Тогда (8) будет иметь вид
Ра = g (<?кол4ол + Чф1ф ) + 0,5f 1ф (св + сн ) nd + 25). (9)
При образовании значительной по толщине корки, соизмеримой с толщиной гравийной обсыпки, для подъема фильтра необходимо преодолеть усилие ^сдв на сдвиг (срез), который происходит по наружной поверхности тонкой корки, сложенной наиболее прочными отложениями и имеющей наилучшее сцепление с фильтром. В этом случае (8) будет иметь вид
Ра = G + ^сдв = g (4кол4ол + Цф1ф ) + [Дсдв сдв, (10)
где [ Д.да ] - временное сопротивление сцементированной гравийной обсыпки
на срез; юсдв - площадь, по которой происходит срез, юсдв = п(йф + 28)/ф.
Теоретические зависимости устанавливают взаимосвязь между основными параметрами, влияющими на величину подъемного усилия при извлечении. Наиболее важным фактором являются сила трения и сила сдвига, для снижения которых следует предусматривать определенные мероприятия. Чтобы оценить величину подъемной силы, рассмотрим пример.
Пример. Определить требуемое статическое подъемное усилие Рп только статической нагрузкой при реконструкции водозаборной скважины при следующих данных: фильтр ТП 10Ф2В (трубчатый с проволочной обмоткой из нержавеющей стали) длиной /ф = 10 м, наружным диаметром йф = = 299 мм при дф = 70 кг присоединен к эксплуатационной колонне с размерами /кол = 60 м, йкол = 273 мм, дкол = 58,6 кг. В кровле водоносного горизонта в интервале от 0-60 м находятся глинистые пески у1 = 16 кН/м3, ф = 32°, к\ = 50 м. Водоносный пласт сложен водонасыщенными песками уп = 10,3 кН/м3, фп = 30°, ки = 10 м. Коэффициент трения скольжения стали по гравию / = 0,45, цементной корки по гравию /\ = 0,5.
Вес О находим по (2)
О = 9,81 • (60 • 58,6 +10 • 70) = 41 кН.
Силу трения определим по (3) с учетом (7)
Ятр = 0,45• 0,5• 10[2гв2(45° -0,5• 32)• 16• 50 + гв2(45° -0,5• 30)-10,3-10]х
х 3,14 • 0,299 = 1110 кН.
Тогда подъемное усилие согласно (1) Ра = 41 + 1110 = 1151 кН.
При образовании цементной корки толщиной 5 = 8 мм сила трения Ятр возрастет
Ятр = 0,5• 0,5-10(45° -0,5• 32)46• 50 + гв2(45° -0,5• 30)40,3-10]-3,14х
х (0,299 + 0,016) = 1300 кН.
Тогда подъемное усилие Ра = 41 + 1300 = 1341 кН, что на 14 % больше, чем в первом случае.
Для расчета подъемного усилия по (10) необходимы опытные значения [ Рсдв ] - временного сопротивления сцементированной гравийной обсыпки на срез. В этом случае подъемное усилие будет наибольшим.
Расчеты указывают на значительные величины подъемных усилий при извлечении труб только статическим выдергиванием. Опытами по извлечению различными способами из песчано-глинистого грунта трубы длиной 5,5 м и диаметром 159 мм, проведенными во ВНИИГС [5], установлено, что тяговые статические усилия при извлечении составили: только статической силой - 390 кН; совместным действием статической силы и вибратора - 290 кН; совместным действием статической силы и одноударного вибромолота с ударами вверх - 230 кН; совместным действием статической силы и одноударного вибромолота с ударами вверх и вниз - 200 кН. При этом суммарная сила тяжести трубы и вибромеханизма - 55 кН.
Анализ результатов экспериментальных исследований и производственный опыт извлечения обсадных труб из бездействующих скважин показывают, что наиболее рациональным и простым способом извлечения является способ, сочетающий статическое и вибрационное воздействие на колонну [5]. ВНИИГС предложил варианты состава специализированного оборудования для ликвидации скважин различной глубины с извлечением обсадных труб различных диаметров (табл. 1).
Таблица 1
Варианты специализированного оборудования для извлечения обсадных труб из скважин различной глубины [5]
Глубина скважин, м Диаметр труб, мм Предельная масса извлекаемой колонны труб, кг Грузоподъемное оборудование Вибрационная машина
20 До 114 400 Вибробуровой агрегат АВБ-2М ВБ-7
50 168-426 3000 Агрегат для освоения и ремонта скважин на воду АВР-1 с гидродомкратами ГД-40 ВПФ-2
80 219-530 6000 Ремонтный агрегат РА-15 Установка для извлечения обсадных труб ОИТ-1 БВС-1 БВС-1
100 219-630 10000 Агрегат для ремонта и бурения скважин А-50У ВШ-1
Указанное технологическое оборудование может быть использовано при реконструкции предлагаемой водозаборной скважины.
Перед извлечением проводится импульсная обработка фильтра и закачка в фильтрующую засыпку через циркуляционные скважины реагента, который размягчает цементационные связи на контакте гравийной обсыпки и водоприемной поверхности фильтра. После прокачки производится извлечение колонны труб с помощью грузоподъемного механизма с вибропогружателем или вибромолотом (рис. 3).
Вибропогружатель сообщает извлекаемому из грунта элементу направленные вдоль их оси колебания определенной частоты и амплитуды, благодаря чему резко снижается коэффициент трения между грунтом и поверхностью извлекаемого элемента. Кроме этого, конструкция позволяет в случае необходимости опустить в ствол скважины колонну бурильных труб, конец которой заводится в отстойник и соединяется, вращением влево, с левой резьбой муфты (рис. 1, 2). Далее для извлечения используются домкраты, при этом исключается возможность обрыва обсадных труб и фильтра, так как при таком способе подъема колонна работает на сжатие, а все растягивающие усилия воспринимают бурильные трубы.
После извлечения эксплуатационной и фильтровой колонн, в кондуктор на забой опускают породоразрушающий инструмент. В процессе бурения удаляют старую фильтрующую обсыпку вместе с остатками циркуляционных скважин. Заменив или восстановив фильтр, его опускают в открытый ствол вместе с отстойником и новыми циркуляционными скважинами. Извлеченные стальные обсадные трубы используются повторно. После этого устраивают новую фильтрующую обсыпку. Скважину заканчивают.
Рис. 3. Схема извлечения фильтра скважины на обсадных трубах с помощью вибропогружателя «Мюллер» фирмы KRUPP HENDEL и грузоподъемного крана: 1 - обсадная труба; 2 - труба с фланцем; 3 - фланцевое соединение; 4 - грузоподъемный кран; 5 - вибропогружатель
Согласно [5] на объектах «Союзшахтосушение» проведено опытное извлечение труб диаметром 273-426 мм с помощью виброустановки ВНИ-ИГСа типа ВИОТ-1 из нескольких скважин глубиной до 100 м после 10-летнего их пребывания в грунте. В результате установлена пригодность извлеченных труб к повторному использованию, что дает основание полагать, что извлеченную при реконструкции колонну обсадных труб можно использовать повторно.
В Ы В О Д Ы
В новой конструкции скважины отсутствует ненадежное сальниковое уплотнение. Кондуктор обеспечивает защиту от проникновения загрязнений и не извлекается. Положительно решается вопрос повторного использования обсадных труб. Обрыв обсадных труб и фильтра практически исключен.
Предлагаемая конструкция скважины может найти применение при каптаже подземных вод из межморенных четвертичных водоносных комплексов, широко распространенных на территории Республики Беларусь. Так, только в г. Минске на балансе УП «Минскводоканал» находятся 495 водозаборных скважин, пробуренных на днепровско-сожский водоносный комплекс. Глубины скважин не превышают 90 м. Средний срок работы скважин с высокими удельными дебитами составляет 8-12 лет. За пределами этого срока эксплуатация скважины экономически неэффектив-
на, так как снижается ее удельный дебит, возрастает себестоимость добываемой воды и применяемые меры по регенерации фильтров скважины становятся неэффективными. Последний фактор объясняется цементацией кольматирующих отложений и трудностью их извлечения из прифильтро-вой зоны. Возникает альтернатива: эксплуатировать скважину с высокими удельными затратами или перебурить ее. Стоимость бурения 1 п. м скважины составляет более 400 дол. США. В суммарном долларовом эквиваленте перебуривание скважины глубиной 90 м и тампонаж старой скважины составляют порядка 40 тыс. дол. Если пробурить скважину предлагаемой конструкции, можно сэкономить порядка 3/4 указанной суммы за счет ее эксплуатации в течение 50 лет (отпадает необходимость перебуривания через 25 лет).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. К о н с т р у к ц и я водозаборной скважины при роторном бурении: пат. 9453 Респ. Беларусь, МПКС1, Е21В43/00, В03В 03/00 / В. В. Ивашечкин, А. Н. Кондратович, И. А. Ге-расименок, Н. И. Крук, И. В. Рытько; заявитель Бел. нац. техн. ун-т. - № а20031236; заявл. 29.12.03, опубл. 30/06/2006 // Афщыйны бюл./Цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2006. -№ 3.
2. И в а ш е ч к и н, В. В. Способы повышения долговечности и ремонтопригодности водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин, А. Н. Кондратович // Международное сотрудничество в решении водно-экологических проблем: материалы Междунар. водного форума, Минск, 2-3 окт. 2008 г. / Минприроды РБ [и др.]. - Минск, 2008. - С. 292-293.
3. П о с о б и е к строительным нормам РБ. Проектирование и устройство подпорных стен и креплений котлованов. П 17-02 к СНБ 5.01.01-99. - Минск: Минстройархитектуры, 2003. - 72 с.
4. Б а ш к а т о в, Д. Н. Прогрессивная технология бурения гидрогеологических скважин / Д. Н. Башкатов, А. В. Панков, А. М. Коломиец: - М.: Недра, 1992. - 286 с.
5. Ц е й т л и н, М. Г. Вибрационная техника и технология в свайных и буровых работах / М. Г. Цейтлин, В. В. Верстов, Г. Г. Азбель. - Л.: Стройиздат, 1987. - 262 с.
Представлена кафедрой
гидравлики Поступила 20.09.2010
