Выбор типа фильтра и расчет его основных размеров

Данный раздел, приводится в курсовой работе магистрантов, выбравших конструкцию забоя скважины с фильтром.

При бурении скважин в рыхлых и полускальных породах для пре­дохранения водоприемной части скважины от заплывания и обвалов породы, для очистки воды, поступающей в эксплуатационную колонну, от механических примесей устанавливают фильтры. Тип фильтра (каркасный, каркасно-стержневой, сетчатый и т.д.) выбирают в зависимости от свойств породы водоносного горизонта. Рекомендуемые для различных водоносных горизонтов типы фильтров приведены в табл. 8. Для выбора размеров проходных отверстий фильтра можно пользоваться данными таблицы 9.

Для агрессивных вод с большим содержанием углекислоты, серо­водорода и кислорода каркасы фильтров изготавливаются из нержавеющей стали или неметаллических труб.

Каркасы фильтров выполняют из стальных обсадных труб нефтяного сортамента, геологоразведочного сортамента, стальных насосов-компрессорных труб, труб из нержавеющей стали, а также винипластовых, полиэтиленовых, стеклопластиковых, асбестоцементных и др.

 

Таблица 8 - Рекомендуемые типы фильтров

Водосодержащие породы	Типы фильтров
Скальные и полускальные породы. Гравийно-галечниковые отложения с размером частиц от 20 до 100 мм (>50 мас.%)	Трубчатые с круглой и щелевой пер­форацией; каркасно-стержневые
Гравий, гравелистый песок с размером частиц от 1 до 10мм с преобладающим размером 2-5 мм (>50 мас.%)	Трубчатые и стержневые каркасы с водоприемной поверхностью из про­волоки или без нее. Трубчатые и стержневые каркасы с водоприемной поверхностью из про­волоки или штампованного листа
Пески среднезернистые с преобла­дающим размером частиц 0,25-0,50 (>50 мас.%)	Гравийно-обсыпные с уширенным контуром. Возможно применение двухслойных фильтров
Пески мелкозернистые с преобладаю­щим размером частиц 0,10-0,25 мм (>50 мас.%)	Гравийно-обсыпные с уширенным контуром. Возможно применение двухслойных обсыпок и блочных фильтров

 

Таблица 9 - Размеры проходных отверстий фильтров

Типы фильтров	Размеры проходных отверстий при коэффициенте неоднородности пород Кн
	≤2	≥2
С круглой перфорацией	(2,5÷3)d50	(3÷4)d50
Со щелевой перфорацией	(1,25÷1,5)d50	(1,5÷2)d50
Сетки	(1,5÷2)d50	(2÷2,5)d50
Примечание: Kн=d60/d10; d50 и d60 – размеры частиц, соответствующие 10, 50 и 60%-ному содержанию их в породе.

 

Фильтры эксплуатационных скважин на воду должны удовлетворять условиям длительной эксплуатации и ремонта.

Размеры проходных отверстий фильтров при устройстве гравийной обсыпки принимаются равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки, примыкающего к стенкам фильтра.

Под скважностью фильтра понимают отношение площади отверстий к общей площади боковой' поверхности фильтра, выраженное в процентах.

Минимальный диаметр каркаса фильтра следует принимать не менее 80-100 мм, а скважность следует доводить до 20-25%.

В фильтрах с водоприёмной поверхностью из проволочной обмотки и штампованного стального листа скважность каркасов принимается исходя из условий их прочности, до 30-60%.

Расчет фильтра заключается в определении его диаметра и длины водоприемной части в зависимости от дебита, состава и условий зале­гания водоносных пород, мощности и гидравлического режима водоносного горизонта [7].

Диаметр фильтра D _ф для малонапорных и маломощных водоносных горизонтов выбирают с учетом поперечных габаритов водоподъемного оборудования, длину фильтра - в зависимости от проектного дебита скважины и мощности водоносного горизонта. В водоносных горизонтах мощностью до 10 м длина рабочей части фильтра (l _ф) принимается равной их мощности. Для более мощных горизонтов длина рабочей части фильтра (в м)

 

                                          l _ф =а Q / D _ф                                        (1)

 

где а - опытный коэффициент, зависящий от гранулометрического состава породы водоносного горизонта; Q - проектный дебит, м³/ч; D - диаметр фильтра, мм.

Значение коэффициента а для различных пород:

песок мелкозернистый.…………………...   90

песок среднезернистый…………………...  60

песок крупнозернистый....... …………….   50

песчано-гравийные отложения……..          30

известняки слаботрещиноватые…...                     90

известняки среднетрещиноватые…..           60

известняки сильнотрещиноватые….           30

Обязательно необходимо учесть, какие вскрываются воды - на­порные или безнапорные. Когда вскрываются безнапорные воды, в верхней части фильтра размещается насос. Поэтому диаметр корпуса фильтра определяется диаметром насоса.

Рабочую часть фильтра следует устанавливать против участков, обладающих наибольшей водопроницаемостью, но не менее 0,5-1 м от кровли и подошвы водоносного пласта.

При наличии нескольких водоносных горизонтов рабочие части фильтров устанавливаются в каждом водоносном горизонте и соединяются между, собой глухими трубами.

Верхняя, глухая часть фильтра должна находится выше башмака обсадной колонны не менее чем на 3 м. Между обсадной колонной и надфильтровой трубой должен быть установлен сальник или кольцевой тампон. Длина отстойника принимается 1-2 м.

a L

Ориентировочный диаметр фильтров определяется по формуле

 

                                                             (2)

 

В гравийных фильтрах в качестве материала для обсыпки применяются песок, гравий, песчано-гравийные смеси. Размер частиц материалов для обсыпки выбирают из соотношения

 

                                                           (3)

 

где D ₅₀ и d ₅₀ размеры частиц, соответствующие 50% - ному содержанию в обсыпке и породе.

В гравийных фильтрах толщина слоев обсыпки принимается с уче­том конструкции фильтра. Для фильтров, собираемых на поверхности земли и опускаемых в скважину в готовом виде, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 30 мм. Для фильтров, создаваемых на забое скважин засыпкой гравия по межтрубному пространству, толщи­на каждого слоя обсыпки должна быть не менее 50 мм.

Наиболее надежны в эксплуатации скважины фильтры с гравийной обсыпкой толщиной в 150-200 мм.

При устройстве двухслойных обсыпок подбор механического со­става материала слоев производится по соотношению

 

                                                                                           (4)

 

где D₂ и D₁- средние диаметры частиц материала соседних слоев об­сыпки.

Первый слой обсыпки, прилегающий к каркасу фильтра, подбира­ется таким образом, чтобы размеры гравия были большие.

При устройстве гравийных фильтров за наружный диаметр сква­жины следует принимать диаметр внешнего контура обсыпки.

Для предотвращения разрушения несцементированных и слабо-сцементированных песчаных коллекторов и выноса песка в скважину при эксплуатации нефтяных и газовых скважин и сооружении скважин подземного выщелачивания призабойный участок также оборудуют гравийным фильтром. Расчетный оптимальный размер зерен гравия находят из соотношения

 

                                              d_onm =6 d ₆                                     (5)

 

Фильтры являются важнейшим звеном буровой скважины подзем­ного выщелачивания, разрабатывающих гидрогенные месторождения проницаемых урановых руд. На полигонах подземного выщелачивания используют фильтры различных конструкций, изготовленные, как правило, из полимерных материалов (фильтры должны быть стойкими к химически агрессивным средам). При наличии в продуктивном горизонте мелкозернистых песков наиболее эффективны гравийно-обсыпные фильтры.

Наиболее распространенный материал обсыпки - окатанный квар­цевый песок, который нейтрален ко всем видам выщелачивающих рас­творов. Кроме того, в качестве материала обсыпки применяют кремниевый песок, гранулированный пиролюзит, гранула стекла и полиэтилена. Размер частиц для гравийной обсыпки выбирают из соотношения (5).