Конструкции скважин при вращательном

Конструкции скважин при вращательном

И ударно-канатном бурении

При всех разновидностях вращательного бурения наиболее часто применяются следующие схемы конструкции скважин (рис.2.1). Схема на рис. 2.1.а, предназначена для эксплуатации водоносного пласта, представленного устойчивыми трещиноватыми породами. Поэтому водоприемная часть выполняется открытой (бесфильтовой). Вмещающие породы до кровли водоносного пласта перекрываются эксплуатационной колонной, в которой размещается насос для откачки. Верхняя часть разреза, представленная рыхлыми породами, перекрывается большей по диаметру колонной, называемой кондуктором. При глубине скважины более 300 метров и неблагоприятных условиях (сильное поглащение промывочной жидкости, неиспользуемый пласт с аномально высоким давлением) между кондуктором и эксплуатационной колонной устанавливается промежуточная колонна. За трубное пространство кондуктора и эксплуатационной колонны, как правило, цементируется на полную глубину, что позволяет надежно разобщить вскрытые пласты и повысить коррозионную устойчивость обсадных труб. При больших глубинах бурения в ряде случаев уровень затрубной цементации можно не доводить до устья скважины, однако это делается лишь тогда, когда исключена гидравлическая связь водоносных горизонтов и, как следствие, потеря напора, смешивание и загрязнение подземных вод. В случае напорных пластов с большим дебитом, предопределяющим монтаж насоса больших габаритов, эксплуатационная колонна устанавливается в верхней части разреза, выполняя также функцию кондуктора (рис. 2.1.б). Часть разреза, расположенная ниже башмака последнего, до кровли водоносного пласта перекрывается хвостовиком (потайная колонна, невыходящая на поверхность).

Другой схемой конструкции скважины при эксплуатации устойчивых водоносных пластов является установка кондуктора и спуск ступенчатой эксплуатационной колонны с подбашмачным цементированием выше кровли водоносного пласта (рис. 2.1). Поперечный размер верхней части колонны должен позволять размещать насос для откачки. Длинна эксплуатационной колонны (рис. 2.1.б) и верхней части ступенчатой колонны (рис. 2.1.в) должна быть такой, чтобы ниже динамического уровня воды можно разместить центробежный насос. В неустойчивых водовмещающих породах в конструкции скважин предусматривается фильтровая водоприемная часть. Чаще всего проектируется установка фильтра «впотай» (рис. 2.1.г,д), так как в случае выхода из строя его можно поднять и заменить. Кроме того, потайное расположение позволяет использовать эксплуатационную колонну большого диаметра, в которой может разместить насос повышенной производительности.

Реже применяется монтаж фильтра на эксплуатационной колонне (рис. 2.1.е). При этом часть затрубного пространства выше фильтра изолирована манжетным цементированием. Замена такого фильтра практически ИСКЛЮЧЕТСЯ. Большая глубина бурения, характерная при бурении на термальные или минеральные воды, частое переслаивание пород по твердости, агрессивность подземных вод вызывают необходимость создания фильтровой части путем спуска обсадной колонны с затрубной ее цементацией в пределах пласта и последующим прострелом гидропескоструйным способом или перфоратами.

При конструкции с большим дебитом водоносных пластов, представленных песками, фильтровая часть скважины выполняются с гравийной обсыпкой фильтра (рис. 2.1е), которая обеспечивает долголетнюю высококачественную работу буровой скважины на воду. Конструкция в этом случае должна учитывать технологию создания водоприемной части скважины – необходимость ее расширения в пределах водоносного пласта для размещения гравийной обсыпки. При эксплуатации водоносных пластов, представленных мелкозернистым песком, и благоприятных гидрогеологических и геологических условиях (наличие мощной прочной кровли водоносного пласта, небольшая глубина скважины, большой напор, и удельный дебит водоносного горизонта) проектируется бесфильтровая конструкция скважины (рис. 2.2).

 

Рис. 2.1

1-кондуктор: 2- затрубное цементирование; 3-эксплуатационная колонна; 4-сальник; 5-подбашмачное цементирование; 6-переходник; 7-муфта с левой резьбой; 8-промежеточная колонна; 9-фильтровая колонна (фильтр); 10-манжета для цементирования; 11-гравийная обсыпка.

Эксплуатационная колонна устанавливается с цементацией затрубного пространства, причем ее нижний торец находится на 0,5 м ниже водоупорной кровли. Затем при помощи интенсивной откачки в верхней части водоносного пласта в результате вынос песка разрабатывается воронка (каверна) с большой водосборной площадью, которая и является водоприемной частью скважины.

При вращательном способе бурения вследствие использовании промывочной жидкости, оказывающей гидростатическое давление на вскрываемые неустойчивые пласты и вызывающей их глинизацию, создаются условия для свободного спуска обсадных колонн в скважину. Скважина бурится диаметрами, большими, чем поперечные размеры допускаемых обсадных колонн. Поэтому при этом способе бурения выход колонн (разница в длинах двух смежных колонн, опущенных в скважину) достигает сотни и даже тысячи метров. Эта особенность предоставляет довольно простую неметаллоемкую конструкцию скважины.

 

Рис. 2.2

 

 

При ударно-канатном бурении применяются конструкции скважин, указанные на рис. 2.3. Конструкция, представленная на рис. 2.3.а, применяется в том случае, когда разрез представлен устойчивыми скальными породами и отсутствуют верховодки. При сооружении скважины в аллювиальных отложениях, содержащих грунтовые воды, скважина крепится кондуктором и фильтровой колонной, выведенной на поверхность (рис 2.3б). Конструкция (рис. 2.3в) применяется при необходимости изоляции кондуктором первого от поверхности неиспользуемого пласта.

В конструкции скважины (рис. 2.3.г) помимо кондуктора и эксплуатационной колонны предусмотрена техническая колонна, перекрывающая второй от поверхности неэксплуатируемый водоносный пласт.

Конструкция (Рис. 2.3.д) в случае установки в зоне пласта, представленного неустойчивыми породами. При необходимости гравийной обсыпки устанавливается на эксплуатационной колонне под защитой вспомогательной колонны (Рис.2.3.е). Последняя первоначально перекрывает пласт, а после спуска эксплуатационной колонны с фильтром и создания обсыпки приподнимается до кровли пласта.

Анализируя рассмотренные конструкции, можно сделать вывод, что при ударно-канатном бурении любая колонна, за исключением эксплуатационной, перекрывает лишь один водоносный пласт и устанавливается башмаком в водоупорные породы.

 

 

Рис. 2.4. А) – трубы расположены по системе «рядом».

Б) – трубы расположены по системе «внутри»

Расчет параметров эрлифта

Исходные данные для расчета: глубина статического уровня воды в скважине (эксплуатационной колонне) h₀ м; глубина динамического уровня h м.; расход воды Q, извлекаемой из скважины при откачке (проектный дебит), м³/ч; коэффициент погружения смесителя эрлифта K = Н/h (H-расстояние от смесителя до уровня излива воды (Рис. 2.4.)).

Цель расчета – определение диаметров воздухопроводной d₁ и водоподъемной d колонны труб, полного расхода воздуха, его пускового и рабочего давления при работе эрлифта, необходимой мощности привода компрессора и КПД водоподъемника.

 

Последовательность расчета

1. Глубина погружения Н смесителя эрлифта под динамический уровень

Н = К×h, м. (2.1)

Коэффициент К берется в пределах К = 1,5-3, причем если позволяет глубина скважины, его следует брать ближе к верхнему пределу.

1. Удельный расход воздуха V₀, неоходимый для подъема воды на поверхность 1 м³ воды, в зависимости от принятой системы расположения труб определяется по следующим формулам при расположении труб „рядом“.

V₀ = м³/м³ , (2.2)

 

V₀ = м³/м³ , (2.3)

 

В формулах (2.2) – (2.3) С – опытный коэффициент, зависящий от величины коэффициента погружения К (табл. 2.1); К_попр - поправочный коэффициент, зависящий от диаметров водоподъемных и воздухопроводных труб (табл. 2.2).

Таблица 2.1

 

Таблица 2.2

Зависимость величины К _попр от диаметров труб

Диаметр водоподъем труб, мм
Диаметр воздухопров труб, мм	100-76	76-65	76-65	65-50	50-36	36-32	32-25	25-19
Поправ -чный коэффиц-нт К попр	1,08 1,05	1,06 1,09	1,08 1,06	1,09 1,06	1,06 1,10	1,25 1,11	1,18 1,11	1,20 1,13

3. Рассчитываем полный расход W воздуха

W = м³/мин (2.4)

4. Определяется пусковое давление Р₀ воздуха

Р₀ = 0,01 ×(k×h – h₀), Мпа (2.5)

5. Определяется рабочее давление Р воздуха

Р = 0,01× [h(k-1)+5], Мпа (2.6)

6. Расчитывается расход эмульсии q₁ (воздух+вода) непосредственно выше смесителя

q_{1 = +} м³/c. (2.7)

7. Определяется расход эмульсии q₂ при изливе

q₂ = × (1+ V₀), м³/c. (2.8)

 

8. Вычисляется необходимая площадь сечения W₁ водоподъемной трубы у смесителя

W₁ = м² (2.9)

 

9. Вычисляется необходимая площадь сечения W₂ водоподъемной трубы у излива

 

W₂ = м² (2.10)

 

В формулах (2.9, 2.10) v₁ и v₂ - скорости движения эмульсии (вода + воздух) соответственно к смесителю и у излива, зависящие от динамического уровня воды в скважине.

 

 

Таблица 2.3

Зависимость скорости движения v₁ и v₂ от глубины

динамического уровня воды h

	1.8	2.7	3.6
		7-8	9-10

 

10. Определяется внутренний диаметр d₀ водоподъемной трубы: при расположении туб по схеме «рядом».

d₀ = м (4×w₂ ) (2.11)

 

При расположении труб по схеме «внутри»

d₀ = м (+d₁ ² ) (2.12)

При расчете d₀ по формуле (2.12) диаметр воздухопроводных труб d₁

м., выбирается по табл. 2.4. в зависимости от производительности компрессора W_k, которая предварительно рассчитывается по формуле (2.13)

 

Таблица 2.4

Зависимость диаметра воздухопроводных труб d₁ от производительности W_k компрессора

Wk м3/мин	0,17-0,5	0,5-1	1-1,7	1,7-3,4	3,4-6,8	6,8-11,7	11,7-17	17-27
d1 мм.	15-20	20-25	25-32	32-40	40-50	60-70	70-80	80-100

11. Производительность компрессора W_k равна

W_k = 1,2×W, м³/мин, (2.13)

где W – расчетный расход воздуха, определяемый по формуле (2.4.).

 

12. Вычисляется рабочее давление Р_k компрессора

 

Р_k = , Мпа. (2.14)

 

13. Определяется расчетная мощность N_k на валу компрессора

N_k = 10× N₀ × Р₀ × W_k, квт, (2.15)

Где N₀ - удельная мощность на валу компрессора, зависящая от величины рабочего давления Р_k (табл. 2.5)

 

Таблица 2.5

Величина удельной мощности N₀ от рабочего давления

компрессора Р_k

Рk Мпа.	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
N0 квт,	1,47	1,4	1,25	1,18	1,1	1,03	1,03

 

14. Действительная мощность N_q на валу компрессора равна

N_q = 1,1× N_k , квт. (2.16)

 

15. Вычисляется коэффициент полезного действия η эрлифта

 

η = (2.17)

 

16. По ассортименту насосно-компрессорных труб (табл. 2.6.) в соответствии с расчетными внутренними диаметрами d₁, d₀, воздухопроводных и водоподъемных труб определяется их стандартные наружные диаметры и поперечные размеры соединительных муфт. Для труб эрлифта могут быть использованы также геолого-разведочные обсадные трубы ниппельного соединения, основные параметры которых указаны в [3].

 

 

Таблица 2.6

Таблица 2.7

Эксплуатационной колонны

Внутренний диаметр эксплуатационной колонны должен быть достаточен для размещения водоподъемников обоих типов. Для размещения эрлифта расчетный внутренний диаметр колонны D ^э_вн.р определяется по следующим формулам при расположении труб эрлифта по схеме «рядом»

D ^э_вн.р = D_м + d_м + 2δ, (2.19)

 

При расположении труб эрлифта по схеме «внутри»

D ^э_вн.р = D_м + 2δ, мм. (2.20)

В формулах (2.19), (2.20) D_м, d_м – наибольшие поперечные размеры (параметры соединительных муфт) соответственно водоподъемной и воздухопроводной колонн, мм; 2δ – зазор между трубами эрлифта и внутренним диаметром и внутренним диаметром обкладной (обсадной) колонной, необходимой для спуска приборов для замера уровня воды при откачке: обычно 2δ = 25-30 мм. Полученный внутренний диаметр эксплуатационной колонны из условия размещения эрлифта сравнивается с внутренним диметром колонны, необходимым для размещения погружного насоса и окончательный расчетный диаметр устанавливается по большому поперечному размеру сравниваемых водоподъемников. Полученный расчетный внутренний диаметр дает возможность определить стандартные поперечные размеры эксплуатационной колонны (ее наружный диаметр и диаметр соединительных муфт). Для этого следует использовать данные табл. 2.8 о размерах обсадных труб, муфтового соединения, которые применяются для крепления разведочно-эксплуатационных скважин на воду.

Таблица 2.8

Таблица 2.9.

Таблица 2.10

Дырчатый фильтр

Наружный диаметр трубы (каркаса) м	Диаметр отверстий, м	Количество отверстий на 1 метр трубы шт.	Скважность фильтра, %
0,114	0,016		34,9
0,168	0,018		33,8
0,219	0,020		29,2
0,273	0,020		27,5
0,324	0,022		26,5
0,377	0,022		29,5

Таблица 2.11

Таблица 2.12

В водоносных песках

Как было сказано, возможность сооружения таких скважин обуславливается глубиной скважины до 200 м и наличием устойчивой прочной кровли водоносного пласта (водоносного горизонта), под сводом которой разрабатывается конусообразная каверна путем удаления песка с водой при откачке (рис. 2.5). Последняя может осуществляться желонкой при ударно-канатном бурении, эрлифтом, эжекторным насосом или с помощью гидравлического турбинного расширителя. Бесфильтровые скважины весьма эффективны, т.к. фильтрационная поверхность водоприемных каверна в десятки и сотни раз превышают поверхность трубчатых фильтров. Откачка из таких скважин осуществляется только эрлифтом, т.к. вода содержит значительное количество песка.

Рис. 2.5.

 

Расчет основных параметров бесфильтровой скважины производится в следующей последовательности (рис. 2.5.):

1. Высота параболического свода h _n при котором соблюдается условие устойчивости кровли пласта, определяется по формуле

h _n = (2.27)

 

где: γ_в – удельный вес воды, т/м³;

 

S _max = h - h ₀ - наибольшее понижение уровня поды, м;

h- статический уровень воды в скважине, м.;

h₀ – динамический уровень воды в скважине, м.

γ_k – плотность породы кровли пласта т/м³ ;

m_k – пористость кровли пласта в долях единицы.

 

Допустимый радиус каверны R_к определяется по формуле

R_к ≤ м. (2.28)

где α – угол внутреннего трения для пород, слагающих кровлю водоносного пласта (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Значения α для различных горных пород

Горные породы	α	Средние значения α
Глины пластичные	0,48 – 1,19	0,78
Сланцы глинистые	1,19 – 2,74	1,73
Известняки и песчаники	2,75 – 5,67	3,73
Кварцевые породы	5,67 – 11,43	7,45

После определения радиуса R_к воронки определяется допустимый дебит Q_доп скважины:

Q_доп = 3600π v_ф R_к ²_qon × м³/ч (2.29)

 

где v_ф – допустимая выходная скорость фильтрации м/с; φ – угол естественного откоса породы водоносного пласта (табл. 2.14).

Таблица 2.14

Значение φ для водоносных пластов

Тип пород φ водоносного пласта	φ, град	φ
Песок мелкий (плывун)	0-15	0-0,027
Песок среднезернистый	25-30	0,47-6,6
Песок крупнозернистый		0,7
Галька с песком		0,47

 

Если допустимый дебит Q_доп больше проектного Q_пр , то из формулы (2.29) можно определить требуемый при заданном дебите воронки R_к ⁰

R_к ⁰ = м. (2.30)

Объем каверны v_к в процессе ее формирования можно определить по количеству выносимого:

v_{к =} м³_, (2.31)

где: v_n - объем вынесенного песка, м³ ;

ξ – коэффициент разрыхления, равный 1,05-1,15.

Если принять, каверна имеет форму круглого прямого конуса, то ее радиус R_kф в процессе формирования будет с учетом (2.31)

R_{kф =} м, (2.32)

 

Где: h _к - глубина каверны, м.

Для обеспечения требуемого дебита и предотвращения обрушения кровли водоносного пласта должно выполняться условие

R_к ⁰ ˂ R_kф ˂ R_kqon

 

И глубины их спуска

Установив геометрические размеры водоприемной части скважины, эксплуатационной колонны и соответветствующие диаметры бурения, из анализа геологического разреза необходимо выяснить необходимость установки кондуктора и промежуточных колонн. Для проектирования неглубоких скважин (до 100-150м) обычно устанавливается водоприемная часть и эксплуатационная колонна, которая, перекрывая верхнюю часть разреза, сложенного неустойчивым породами, выполняет также функцию кондуктора. Такая конструкция называется одноколонной (фильтровая часть и направление колоннами не считается).

При сооружении скважин на более глубоко залегающий водоносный пласт (горизонт) верхняя часть перекрывается кондуктором, опускаемым на глубину 40-65 м. При глубине скважины свыше 300 м и необходимости изоляции зон сильных поглощений или неиспользуемых водоносных пластов с высоким давлением, вызывающим самоизлив, между эксплуатационной колонной и кондуктором устанавливается промежуточная колонна.

Зная ранее найденный диаметр труб, составляющих эксплуатационную колонну, определяют поперечные размеры последующих больших по диаметру обсадных колонн (промежуточной и кондуктора). В соответствии с технологией роторного бурения расчетный наружный диаметр D^н _п последующей колонны определяется из соотношения

D^н _п = D^э _н + (80 ÷ 100) мм, (2.37)

Где D^э _н - наружный диаметр эксплуатационной колонны, мм.

Вычисленный D^н _п округляется до стандартного наружного диаметра обсадных труб в соответствии с данными табл. 2.8 Соблюдение указанного соотношения вызвано необходимостью бурения нижних интервалов ствола диаметром, меньшим чем внутренний диаметр последующей обсадной колонны, и спуском обсадных колонн муфтового соединения с зазором для цементации затрубного пространства. Поэтому наружный диаметр обсадных колонн при вращательном бурении чередуется, например следующим образом: 219 – 324-426 мм. Установленные наружные диаметры обсадных колонн дают возможность по табл. 2.8 определить их остальные поперечные размеры (внутренний диаметр и диаметр муфт). Кроме указанных обсадных колонн, независимо от конструкции устье скважины закрепляется на глубину 2-5 м наибольшей по диаметру направляющей трубой (направление) с последующей ее цементацией

 

Пример проектирования конструкции скважины на воду

Исходные данные. Задан ожидаемый геологический разрез и гидрогеологическая характеристика водоносности пласта (приложение 1). Требуется: выбрать способа бурения скважины на воду и составить ее конструкцию.

Решение:

1. Выбор способа бурения. Анализ ожидаемого геологического разреза позволяет установить, что кровля намеченного к эксплуатации пласта (водоносного горизонта) залегает на отметке 200 м. С учетом глубины вскрытия пласта ожидаемая глубина скважины будет, более 200 м. Из задания также следует, что район работ в гидрогеологическом отношении хорошо изучен, т.е. нет необходимости его уточнения путем дополнительного отбора образцов (керна) из вмещающих пород. С учетом рекомендаций разд. 1 для бурения проектируемой скважины предусматривается применить роторный способ бурения. Выбранный способ обеспечивает высокую скорость проходки скважины и небольшую металлоемкость ее конструкции.

2. Проектирование конструкции скважины. Проектом предусматривается после сооружения скважины проведение предварительной и пробно-эксплуатационной откачки. При получении положительных результатов скважина оборудуется водоподъемником, предназначенным для эксплуатационной откачки, и передается заказчику. Поэтому скважина (ны) будет оборудована двумя типами водоподъемников: при проведении предварительной и пробной откачки – эрлифтом, при эксплуатационной откачке – электронасосом с погружным двигателем. Выбор эрлифта в качестве временного водоподъемника обуславливается тем, что он способен откачивать загрязненную воду с большим дебитом (до 200 м³ в час), при динамическом уровне до 50-60 м, т.е. вполне обеспечивает проектируемый дебит и необходимый напор, указанные в задании. Обоснование выбора для эксплуатационной откачки насоса с погружным двигателем заключается в высоком КПД водоподъемников этого типа, их компактности и простоте обслуживания. Для определения внутреннего диаметра эксплуатационной колонны необходимо установить, поперечны размеры водоподъемников, т.е. рассчитать основные параметры эрлифта и выбрать марку погружного электронасоса. Результаты расчета эрлифта, трубы которого расположены по схеме «внутри» по формулам (2.1) – (2.17), приведены ниже: коэффициент погружения смесителя К = 2; глубина погружения смесителя под динамический уровень Н = 74 м; полный расход воздуха W = 6,32 м³/мин; пусковое давление воздуха Р₀ =0,478 МПа; рабочее давление воздуха Р = 0,412 МПа; внутренний диаметр трубы расчетный d = 149 мм; внутренний диаметр воздухопроводной трубы расчетный d₁ = 50 мм; производительность компрессора расчетная W_к = 7,58 м³/мин; рабочее давление компрессора Р_р = 0,462 МПа; мощность на валу компрессора N_k = 47,3 кВт; КПД Ϟ = 0,169. По расчетным диаметра d и d₁ , по таблицам 2.6, 2.8 выбираем стандартные размеры насосно-компрессорных и осадных труб и заносим их в таблицу:

 

Водоприемная колонна	Воздухопроводная колонна
Dнар мм	Dвнутр мм	Dм мм	dнар мм	dвнутр мм	dм мм
168 мм	154,3 мм	188 мм	60,3 мм	50,3 мм	78 мм

 

По давлению Р_р , расчетной производительности W и мощности N_k выбираем для привода эрлифта компрессор ДК-9М. Для выбора погружного насоса предварительно по формуле (2.18) вычисляется требуемый манометрический диаметр Н_м = (37+1)+0,1(37+1+5) ≈ 42 м.вод.ст. По проектному дебиту выбирается погружной электронасос марки ЭЦНВ 10-120-60; (АТН) имеющий следующую техническую характеристику: производительность 120 м³/час; напор воды м. вод. ст. – 50; минимальный диаметр эксплуатационной колонны, необходимой для размещения насоса, мм – 250. Минимальный внутренний диаметр эксплуатационной колонны для размещения эрлифта определяется по формуле (2.20) D^э _внр = 188+30 = 218 мм.

Так как, необходимый внутренний диаметр колонны для размещения насоса – 250 мм, в соответствии с табл. 2.8. окончательно выбираются стандартные обсадные трубы для эксплуатационной колонны, имеющие параметры: D_н = 273 мм; D _внр = 299 мм; q = 45,9 кг/м. Затем по формуле (2.21) определяется расчетный диаметр D^r _q = 299 + 2 × 20 = 339 мм. Полученная величина округляется по нормальному ряду применяемых долот до стандартного, равного 345 мм.

Так как водоносный пласт представлен рыхлыми породами (мелкозернистые пески), предусматривается оборудование фильтром. Формирование бесфильтровой части путем образования каверны исключается, т.к. в кровле водоносного пласта залегают недостаточно прочные породы (глины). В соответствии с рекомендациями табл. 2.9 выбирается сетчатый фильтр с двуслойной гравийной обсыпкой. В качестве каркаса фильтра принимается обсадная труба, диаметром 146 мм в (табл. 2.8). С учетом толщины стержней и сетки диаметр сетчатого фильтра будет порядка 154 мм. Для надежной работы фильтра толщина обсыпки принимается равной 150 мм. Тогда его наружный диаметр по контуру обсыпки будет d_ф =154+2 ×150 ≈ 455 мм. По формуле (2.24) определяется коэффициент фильтрации пород водоносного пласта K_ф = = 10,6 м/сутки, а по формуле (2.24) скорость фильтрации v_ф = 65³ = 143 м/сут.

Длина рабочей части фильтра вычисляется по формуле (2.2)

l_p = 7,643 × = 9,3 м. Принимаем параметры l_p = 10 м. Водопропускная способность фильтра определяется по формуле (2.25)

ƒ = = 79,3 м³/час Так как запроектированный дебит равен 79,2 м³/час, то ƒ > Q выполнено. В каркасе фильтра (обсадной трубы диаметром Ø-146 мм) сверлятся 720 отверстий на 1м длины. Вдоль каркаса устанавливаются 8 прутков диаметром Ø-3-4 мм. Затем каркас обматывается сеткой квадратного плетения. Материал обсыпки состоит из двух слоев. Наружный слой толщиной 70 мм состоит из крцпных частиц гравия резмером D₁ = 10 d₅₀ . Внутренний слой толщиной 80 мм состоит из частиц гравия размером D₂ = 5 d₅₀. Так как в задании отсутствуют данные о среднем размере частиц водоносного пласта, то этот параметр будет определен после вскрытия горизонта и определения гранулометрического состава. Гравийная обсыпка будет создаваться после спуска каркаса фильтра на забой засыпкой с поверхности. Отстойником фильтра будет служить обсадная труба диаметром Ø-146 мм длиной 3 м. Надфильтровая часть будет установлена в „впотой“ с вхождением внутрь эксплуатуационной колонной на 5м. Кольцевой зазор между фильтровой и эксплуатационной колонной герметизируются пеньковым сальником. Так как внутренний диаметр выбранной эксплуатационной колонны составляет 258 мм, то фильтр выбранного диаметра свободно пройдет внутри нее монтаж. Для создания расширения скважины в пределах водоносного пласта (горизонта) под гравийную обсыпку предусматривается применить гидротурбинный расширитель. Фильтр будет установлен в срединной части плоскости власта (горизонта). Тогда в соответствии с формулой (2.34) глубина вскрытия будет

l_вскр = 0,5×(30+10)+3 = 23м; проектная глубина скважины - Н_скв = 200+23 = 223,0 м. Так как разрез представлен слабоустойчивыми размываемыми породами, эксплуатационная колонная должна перекрыть всю их мощность с углублением башмака на 0,3 м., ниже кровли. Таким образом, длина колонны составит 201,0 м., (с учетом ее возвышения над устьем скважины на 0,7 м). Учитывая относительно небольшую глубину скважины, предусматривает установку только кондуктора. Последний должен перекрывать первые да слоя неустойчивых пород (суглинки и пески с валунами) с углублением в другие породы (глины) на 5 м. Таким образом, длина кондуктора принимается 30 метров. Расчетный диаметр кондуктора: D^н _конд = 273+100 = 373 мм. По табл. 2.8. в качестве кондуктора выбираются обсадные трубы следующих стандартных размеров: D^н _конд = 377 мм; D^н _конд = 359 мм; D^н _конд = 402 мм. Учитывая небольшую глубину спуска кондуктора, можно принять соответствующий диаметр бурения D _q = 445 мм. Устье скважины закрепляется направлением, представляющий отрезок обсадной трубы диаметром Ø-508 мм (внутренний диаметр Ø-485 мм), который опускается в шурф глубиной 2,5 м с последующим бетонированием. Затрубное пространство кондуктора цементируется на всю длину. Так как в разрезе присутствует пласт песчаников с минерализованной водой, для исключения перетоков эксплуатационная колонна также цементируется от башмака до устья. На основании полученных данных выполняется гелого-технический разрез проктируемой скважины представленный на рис. 2.6.

 

рис. 2.6.

 

 

Конструкции скважин при вращательном

И ударно-канатном бурении

При всех разновидностях вращательного бурения наиболее часто применяются следующие схемы конструкции скважин (рис.2.1). Схема на рис. 2.1.а, предназначена для эксплуатации водоносного пласта, представленного устойчивыми трещиноватыми породами. Поэтому водоприемная часть выполняется открытой (бесфильтовой). Вмещающие породы до кровли водоносного пласта перекрываются эксплуатационной колонной, в которой размещается насос для откачки. Верхняя часть разреза, представленная рыхлыми породами, перекрывается большей по диаметру колонной, называемой кондуктором. При глубине скважины более 300 метров и неблагоприятных условиях (сильное поглащение промывочной жидкости, неиспользуемый пласт с аномально высоким давлением) между кондуктором и эксплуатационной колонной устанавливается промежуточная колонна. За трубное пространство кондуктора и эксплуатационной колонны, как правило, цементируется на полную глубину, что позволяет надежно разобщить вскрытые пласты и повысить коррозионную устойчивость обсадных труб. При больших глубинах бурения в ряде случаев уровень затрубной цементации можно не доводить до устья скважины, однако это делается лишь тогда, когда исключена гидравлическая связь водоносных горизонтов и, как следствие, потеря напора, смешивание и загрязнение подземных вод. В случае напорных пластов с большим дебитом, предопределяющим монтаж насоса больших габаритов, эксплуатационная колонна устанавливается в верхней части разреза, выполняя также функцию кондуктора (рис. 2.1.б). Часть разреза, расположенная ниже башмака последнего, до кровли водоносного пласта перекрывается хвостовиком (потайная колонна, невыходящая на поверхность).

Другой схемой конструкции скважины при эксплуатации устойчивых водоносных пластов является установка кондуктора и спуск ступенчатой эксплуатационной колонны с подбашмачным цементированием выше кровли водоносного пласта (рис. 2.1). Поперечный размер верхней части колонны должен позволять размещать насос для откачки. Длинна эксплуатационной колонны (рис. 2.1.б) и верхней части ступенчатой колонны (рис. 2.1.в) должна быть такой, чтобы ниже динамического уровня воды можно разместить центробежный насос. В неустойчивых водовмещающих породах в конструкции скважин предусматривается фильтровая водоприемная часть. Чаще всего проектируется установка фильтра «впотай» (рис. 2.1.г,д), так как в случае выхода из строя его можно поднять и заменить. Кроме того, потайное расположение позволяет использовать эксплуатационную колонну большого диаметра, в которой может разместить насос повышенной производительности.

Реже применяется монтаж фильтра на эксплуатационной колонне (рис. 2.1.е). При этом часть затрубного пространства выше фильтра изолирована манжетным цементированием. Замена такого фильтра практически ИСКЛЮЧЕТСЯ. Большая глубина бурения, характерная при бурении на термальные или минеральные воды, частое переслаивание пород по твердости, агрессивность подземных вод вызывают необходимость создания фильтровой части путем спуска обсадной колонны с затрубной ее цементацией в пределах пласта и последующим прострелом гидропескоструйным способом или перфоратами.

При конструкции с большим дебитом водоносных пластов, представленных песками, фильтровая часть скважины выполняются с гравийной обсыпкой фильтра (рис. 2.1е), которая обеспечивает долголетнюю высококачественную работу буровой скважины на воду. Конструкция в этом случае должна учитывать технологию создания водоприемной части скважины – необходимость ее расширения в пределах водоносного пласта для размещения гравийной обсыпки. При эксплуатации водоносных пластов, представленных мелкозернистым песком, и благоприятных гидрогеологических и геологических условиях (наличие мощной прочной кровли водоносного пласта, небольшая глубина скважины, большой напор, и удельный дебит водоносного горизонта) проектируется бесфильтровая конструкция скважины (рис. 2.2).

 

Рис. 2.1

1-кондуктор: 2- затрубное цементирование; 3-эксплуатационная колонна; 4-сальник; 5-подбашмачное цементирование; 6-переходник; 7-муфта с левой резьбой; 8-промежеточная колонна; 9-фильтровая колонна (фильтр); 10-манжета для цементирования; 11-гравийная обсыпка.

Эксплуатационная колонна устанавливается с цементацией затрубного пространства, причем ее нижний торец находится на 0,5 м ниже водоупорной кровли. Затем при помощи интенсивной откачки в верхней части водоносного пласта в результате вынос песка разрабатывается воронка (каверна) с большой водосборной площадью, которая и является водоприемной частью скважины.

При вращательном способе бурения вследствие использовании промывочной жидкости, оказывающей гидростатическое давление на вскрываемые неустойчивые пласты и вызывающей их