Бесфильтровые скважины, расчет

Для эксплуатации водоносных песков с достаточно прочными породами кровли мощностью не менее 2-3 м целесообразно применять долговечные и надежные бесфильтровые скважины. При достижении такого водоносного горизонта в скважине устанавливают эксплуатационную колонну с цементированием затрубного пространства. Путем откачки песчаной пульпы из-под кровли водоносного горизонта создается водоприемная воронка, являющаяся рабочей частью бесфильтровой скважины.

Рисунок 3. Бесфильтровая скважина

Расчет бесфильтровой скважины проводится с целью определения размеров полости, обеспечивающей необходимую пропускную способность, и выяснения устойчивости кровли сформированной полости.

Проектный дебит (Q м³/ч) бесфильтровой скважины ориентировочно может быть подсчитан по формуле:

, (4)

где: R – радиус полости;

– скорость фильтрации, м/ч;

α – угол естественного откоса (α 20-25˚)*

(* свободная поверхность откоса рыхлой горной породы сохраняет свой наклон под некоторым углом к горизонтальной плоскости, называемым углом естественного откоса.)

Скорость фильтрации:

V_ф =η_1·η_2·k_· (1- П) _· (ρ_n - 1),

где: η₁ = 0,7 ÷ 0,8 – коэффициент запаса; η₂ - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости фильтрации в зависимости от угла откоса песка, для мелкозернистого песка η₂ = 0,9, для среднезернистого η₂ = 0,8, для крупнозернистого η₂ = 0,74; k – коэффициент фильтрации, м/сут; П ≈ 0,3 ÷ 0,4 – пористость песка; ρ_n – относительная плотность пород водоносного пласта.

Радиус полости, м:

 

. (5)

Устойчивость пород кровли определяются следующим образом:

, (6)

где: - высота свода естественного равновесия пород кровли, м;

– коэффициент крепости пород

, - предел прочности породы на одноосное сжатие (даН/см²).

 

Породы кровли обрушаться не будут, если давление воды на непроницаемую кровлю будет больше давления столбика породы в пределах свода естественного равновесия:

, (7)

где: H – превышение статического уровня воды над кровлей водоносного горизонта, м; S – понижение уровня при откачке, м; – относительная плотность пород кровли (); относительная плотность воды =1

Учитывая (6) и (7) условие устойчивости можно представить в виде:

. (8)

Дополнительным условием устойчивости пород кровли является условие:

, (9)

где: m – мощность устойчивых пород кровли, м.

Если неравенства выполняются, породы кровли (в случае их непроницаемости) не обрушаются, то бесфильтровую скважину проектировать можно.

После цементирования эксплуатационной колонны, продолжают бурение в пределах водоносного слоя на глубину 1,5-2 м от кровли, после чего начинают разработку полости.

Формирование водоприемной полости производится эрлифтной откачкой с помощью компрессора, либо водоструйным насосом. На первом этапе откачки во избежание образования песчаных пробок в скважину опускается колонна труб, по которой подается вода от бурового насоса, входящего в комплект буровой установки. После разработки каверны в зоне пласта подача воды прекращается.

При сдаче скважины в эксплуатацию, производительность водозабора должна быть меньше производительности при опытной откачке в 1,3-1,5 раза.

В пылеватых и тонкозернистых песках, а также в случае недостаточно устойчивой кровли в водоприемную воронку может быть засыпан гравий.

 

Пример:

Дано: порода кровли сложена глинистыми сланцами, =2,0, =2,9; мощность кровли m =15 м; пьезометрический напор пласта H=50 м; максимальное понижение S=15 м; водоносный пласт сложен мелкозернистыми песками, α=20˚, k=6 м/сут.; =1,8 – относительная плотность песка; Q = 100 м³/ч.

Решение:

Скорость фильтрации

=0,7 0,9 6 (1-0,4) (1,8-1) = 3,02 м/сутки;

Радиус полости бесфильтровой скважины:

R = (24 · 100 · 0,9 / (π · 3,02))^0,5 = 15,4 м.

Условия устойчивости

h₁ = 15,4 / 2 = 7,7 м,

15,4 < (50 – 15) · 2 / 2,9,

15,4 < 24,

0,75 · m = 0,75 15 = 11,2 м,

7,7 11,2.

Условия устойчивости кровли выполняются, поэтому проектировать бесфильтровую скважину можно.

 

Глубина скважины

Глубина эксплуатационных скважин определяется расстоянием до кровли водоносного пласта, расчетной длиной рабочей части фильтра и длиной отстойника.

Глубина разведочных скважин определяется расстоянием до кровли водоносного пласта, мощностью водоносного пласта и интервалом бурения в подстилающих породах.