Рекомендации по выбору бурения скважин [16]

Способ бурения	Условия применения
Ударно-канатный	В рыхлых и скальных породах при глубине скважин до 150 м и начальном диаметре скважины более 500 мм
Роторный с прямой промывкой	В рыхлых и скальных породах при любой глубине скважины с начальным диаметром до 500 мм и с промывкой чистой водой, полимерными или глинистыми растворам
Способ бурения	Условия применения
Комбинированный (ударно-канатный и роторный с прямой промывкой)	При глубине скважины более 150 м на безнапорные и слабонапорные горизонты, представленные рыхлыми отложениями. До кровли продуктивного водоносного горизонта – роторный с глинистым раствором, по водоносному горизонту – ударно-канатный.
Роторный с обратной промывкой	В породах I – IV категорий с содержанием в рыхлых и связных отложениях не более 10% валунов при глубине скважины до 200 м
Колонковый	В скальных породах при диаметре скважин до 150 – 200 мм и при глубине бурения до 150 м
Реактивно-турбинный	При глубинах 500 – 1000 м и более и больших диаметрах скважин

Конструкция водозаборной скважины определяется глубиной залегания водоносного горизонта и включает в себя обоснование выбора водоприемной части (фильтра), эксплуатационного диаметра скважины и габаритов водоподъемного оборудования.

Назначение фильтра заключается в обеспечении устойчивости скважины и исключения ее пескования. Он должен также обеспечивать приток очищенной воды, иметь малые гидравлические сопротивления, обладать достаточной прочностью и коррозирующей стойкостью.

В зависимости от литологии и гранулометрического состава пород наиболее часто используются трубчатые, сетчатые и гравийные фильтры.

Трубчатые фильтры изготовляются из обсадных труб, в зависимости от формы перфорации выделяют дырчатые или щелевые фильтры. При этом круговые и щелевые отверстия располагаются в шахматном порядке. Для обеспечения требуемой скважности фильтра при их изготовлении рекомендуется придерживаться следующих правил [5].

1. для дырчатых фильтров расстояние между отверстиями диаметром d по горизонтали должно составлять (1.55-1.7)d, по вертикали – (2.1-3.5)d. Диаметр отверстий зависит от гранулометрического состава и коэффициента неоднородности песков (К_н). При К_н < 2 , диаметр отверстий определяется как d = (2.5-3)d₅₀, при К_н >2 – d = (3-4)d₅₀ (d₅₀ - средний диаметр зерен песка);

2. для фильтров с щелевой перфорацией расстояние между щелями по горизонтали принимается равной 10a ( a - ширина щели), по вертикали - 10-20 мм, высота щели обычно составляет 25-100 мм. Ширина щели также определяется на основе гранулометрического состава песков; для песков с К_н >2 a = (1.25-1.5) d₅₀, для песков с К_н <2 a = (1.5-2.0) d₅₀.

Скважность дырчатых фильтров  должна составлять:

(6)

(F₀, - соответственно суммарная площадь проходных отверстий и площадь боковой поверхности фильтра).

Трубчатые фильтры устанавливаются в неустойчивых полускальных породах, гравийно-галечниковых отложениях, а также используются в качестве каркаса при изготовлении сетчатых фильтров.

Сетчатые фильтры представляют собой дырчатую трубу или стержневой фильтр, на которую по спирали наматывается проволока диаметром 5 мм и более, а поверх нее натягивается сетка. Проволочный каркас приваривается к трубе и служит для того, чтобы сетка не прилегала плотно к трубе и поверхность ее работала равномерно. Сетки фильтров бывают галунного (гладкого), киперного и квадратного плетения [5].

Применение того или иного плетения сетки определяется гранулометрическим составом водоносных песков. Сама сетка может быть из меди, латуни и нержавеющей стали; из простой стали она легко подвергается коррозии. Каркасные трубы, на которые наматывается сетка, для предохранения от коррозии рекомендуется покрывать асфальтовым или полихлорвиниловым лаками.

Металлические сетки из дорогостоящей меди, латуни и нержавеющей стали можно заменить сетками из пластических масс, выполненных на основе поливинилхлорида (более частое название «винипласт»). Сетки из винипласта выпускаются химической промышленностью для аккумуляторов, используют их в качестве прокладок сепараторов. Недостаток таких сеток - слишком большие отверстия (2.8 мм), что затрудняет их использование в мелкозернистых и среднезернистых песках. Поэтому их можно использовать для отбора воды из гравелистых песков и при устройстве фильтров в мелкозернистых песках с гравийной обсыпкой.

Использование гравийных фильтров позволяет увеличить продолжительность работы водозаборных скважин. К гравийным фильтрам относятся фильтры, у которых поверхность, контактируемая с породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного вокруг опорных фильтровых каркасов.

Гравийные обсыпные фильтры используются с целью увеличения размера фильтра скважины, улучшения фильтрационных свойств пород в прифильтровой зоне, снижения входных скоростей воды в скважину.

При эксплуатации подземных вод используются гравийные фильтры двух типов: опускные и засыпные фильтры. Опускные фильтры изготавливаются на поверхности, а гравийная обсыпка вокруг каркасов фильтровой колонны удерживается с помощью металлических и синтетических сеток (кожухов). Толщина засыпки гравия в кожухе обычно изменяется от 35 до 70 мм.

Засыпные фильтры создаются на забое скважины и в зависимости от гранулометрического состава пород могут быть с однослойной или многослойной засыпкой. Толщина обсыпки должна быть не менее (510) d₅₀ (d₅₀ - средний диаметр гравия). Размер гравия выбирается из соотношения d₅₀/d₅₀ = 8  12 (d₅₀ - средний диаметр песка водоносного горизонта).

Расчет рабочей части фильтра сводится к определению ее диаметра и длины, которые в свою очередь зависят от проектного дебита, мощности продуктивного пласта и габаритов насоса. Длина рабочей части фильтра l_p определяется по формуле:

(7 )

где Q - проектный дебит, м³/сут; d_ф - диаметр фильтра, м; v - допустимая входная скорость фильтрации воды, м/сут. Последняя определяется по эмпирической формуле:

, (8)

где К_ф - коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта, м/сут. Для фильтра с гравийной обсыпкой величина v определяется как :

v= 1000 K_ф (d₅₀/D₅₀)² (9)

При мощности водоносного горизонта меньше 10 м длина рабочей части фильтра принимается равной мощности горизонта, а по формуле (7) рассчитывается его диаметр.

После расчета водоприемной части фильтра обосновываются размеры отстойника и надфильтровой трубы. Длина отстойника обычно принимается равной 1-3 м. Надфильтровая труба чаще всего не выводится на поверхность, а располагаются "впотай"; при этом ее верхняя часть должна заходить внутрь эксплуатационной колонны не менее чем на 5 м. Кольцевое пространство между эксплуатационной колонной и надфильтровой трубой герметизируется сальником.

Водопропускная способность фильтра должна быть не менее запроектированного дебита Q; при этом должно выполняться условие:

= vF Q , (10)

где F - рабочая площадь фильтра, м².

При скважности фильтра более 25% в качестве рабочей части фильтра принимается вся его наружная боковая поверхность; при меньшей скважности – площадь отверстий каркаса фильтра.