Оборудование скважин фильтрами. Типы фильтров

Под фильтром обычно понимают специальное устройство, устанавливаемое в скважине против водоносного горизонта, которое обеспечивает свободный доступ внутрь скважины чистой, без примеси, воды и одновременно предохраняет ствол скважины от обрушения.

Фильтры устанавливают только в рыхлых и неустойчивых породах. В скважину опускают фильтровую колонну, которая состоит из надфильтровой части, рабочей части, или собственно фильтра, и отстойника с пробкой. Отстойник служит для осаждения прошедших через рабочую часть фильтра частиц породы.

Все существующие фильтры могут быть разделены на: а) дырчатые, или щелевые; б) проволочные (рисунок 4.2.); в) сетчатые; г) гравийные и д) гравитационные.

 

 

Рисунок 4.2. Фильтры сетчатые и проволочные [5]:

а – фильтр сетчатый: 1 – специальная муфта для спуска фильтра на ключе; 2 – подвижный фланец; 3 – сетка фильтровая; 4 – перфорированная труба; 5 – проволочная обмотка; б – фильтр с проволочной обмоткой: 1 – трубный каркас с круглыми отверстиями; 2 – опорные стержни; 3 – проволочная обмотка.

Самым простым видом фильтра является труба-каркас с круглыми или щелевыми отверстиями. Фильтровые трубы, каркасы изготовляют из стальных, чугунных, деревянных, пластмассовых, асбестоцементных и реже – из керамических и гончарных труб. При выборе материала для фильтровых каркасов учитываются их коррозионная устойчивость, возможность механической обработки и прочность. Для изготовления каркасов трубы перфорируют.

Применяются штампованные фильтры из нержавеющей стали, меди или черных металлов с антикоррозийными покрытиями.

Каркасно-стержневые фильтрыизготовляют из металлических стержней диаметрами 12–18 мм, укрепляемых на опорных фланцах.

Фильтры с проволочной обмоткойизготовляют как трубчатые, так и стержневые. Шаг обмотки спирали из круглой проволоки диаметром 1,5–3 мм или другого (например, трапецеидального, треугольного) сечения устанавливается в соответствии с гранулометрическим составом пород водоносного горизонта. Оплетку проволокой делают поверх трубчатого или стержневого каркаса. Проволочный фильтр сверху может быть покрыт сеткой. Сетчатые фильтрысостоят из дырчатой трубы-каркаса, обмотанной продольными рядами или по спирали проволокой диаметром 2–5 мм с шагом в 10–25 мм с тем, чтобы сетка не прилегала плотно к каркасу. На проволочное покрытие натягивают сетку, которую припаивают, сшивают или склеивают на концах и по шву.

Для изготовления сетчатых фильтров используются сетки нескольких типов: а) простая квадратная; б) гладкого или галунного плетения; в) киперная или саржевая.

В качестве материала для сетки используют медь, латунь, нержавеющую сталь, пластмассы, ткани из стекловолокна, нить капрона, нейлона и другие синтетические материалы. Для предупреждения электрохимической коррозии каркас фильтра изготовляют часто из неметаллических труб. В некоторых случаях стальной каркас обтягивают сеткой и проволокой из нержавеющей стали или же применяют сетки из пластических масс.

Сетчатые фильтры не рекомендуются для однородных мелкозернистых песков, а также для слюдистых водоносных песков, т. к. при этом не обеспечивается нормальная работа фильтра – уменьшается его скважность. Получили распространение сетки из стекловолокна: окна могут быть использованы в водах любого химического состава.

Сетчатые фильтры с успехом могут заменяться поролоновыми. Такие фильтры используются при оборудовании опытных и водозаборных скважин технического назначения. Рекомендуются поролоновые покрытия для рыхлых песчаных пород. Они стойки к агрессивным средам, просты в изготовлении, не дороги. Для их создания применяют поролон толщиной 5–10 мм.

Гравийные фильтрысостоят из каркаса с проволочной обмоткой или сеткой и гравийной обсыпки. По способу изготовления различают гравийные фильтры, приготовляемые на поверхности и непосредственно в скважине. Первые устраивают в виде гравийно-кожуховых или корзинчатых. В обоих случаях гравий засыпают на поверхности в сетчатый кожух или специальные чугунные или стальные корзинки, укрепляемые на фильтровой трубе. Собранный фильтр спускают в скважину. При устройстве гравийного фильтра в скважине засыпка гравия в зафильтровое пространство производится одновременно с извлечением из скважины временной колонны обсадных труб, перекрывающих водоносный горизонт.

Работа гравитационных фильтровоснована на использовании принципа гравитационного отделения частиц породы из фильтрующейся среды. Вода попадает в фильтр через породу, располагающуюся перед входными отверстиями фильтра под углом естественного откоса.

Выбор конструкции фильтра производят в соответствии с составом водоносных пород, глубиной скважины, степенью агрессивности подземных вод, а также сроком действия скважин и их целевым назначением [2].

Конструкция скважин

Конечный диаметр скважины во многом определяется типом фильтра, его размерами.

Скважины с водоприемной частью в виде дырчатых или сетчатых фильтров без обсыпки их гравием имеют минимальный конечный диаметр. При применении фильтров с гравийной засыпкой конечный диаметр скважин увеличивается на 50–100 мм и более по сравнению со скважинами, оборудованными фильтрами других конструкций. При выборе диаметра фильтра, если размеры его не определяются какими-либо другими условиями, следует учитывать, что при диаметре фильтра менее 100 мм сильно снижается водообильность скважин.

Конструкция скважинопределяется типом, размерами и местом установки водоподъемного оборудования. При установке насоса в фильтре диаметр его, а соответственно и конечный диаметр скважины, будут зависеть от размеров насоса. Если требуется установить насос большей производительности, его помещают над фильтром, в эксплуатационной колонне. В этом случае диаметр ее, называемый эффективным, также определяется поперечными размерами насоса. Для облегчения монтажа насоса, производства ремонтных работ и наблюдений за положением динамического уровня в скважине величину зазора между наружным диаметром корпуса насоса и внутренним диаметром эксплуатационной колонны принимают в пределах до 50 мм. Однако значительное увеличение эффективного диаметра приводит к утяжелению конструкции скважины и удорожанию стоимости работ. Во всех случаях конструкция скважины должна обеспечивать получение необходимого количества воды при минимальном снижении статического уровня. В остальном выбор и расчет конструкции скважин на воду осуществляется так же, как и скважин, проходимых на нефть или газ, т. е. с учетом применяемых типов и размеров долот, их соотношения с обсадными трубами, с расчетом на тампонажные работы.

Спуск фильтров в скважинуможет производиться на бурильных трубах или на колонне обсадных труб. При спуске фильтров на бурильных трубах применяется спускной ключ.

В отдельных случаях может быть применен центрирующий фонарь. При установке фильтра в скважину с неустойчивыми стенками, пройденную ударно-механическим способом, спуск его производится под защитой временной колонны обсадных труб, которую задавливают в нижний водоупор. После углубки скважины на длину отстойника в нее опускают фильтровую колонну. Обсадные трубы приподнимают на высоту фильтра или полностью извлекают из скважины. При эксплуатации нескольких водоносных горизонтов в скважину спускают ярусный фильтр, состоящий из ряда необходимых фильтров, расположенных против каждого горизонта. Напротив неводоносных пластов устанавливают сплошные трубы, соединяющие фильтры между собой. Для того чтобы песок и другие частицы пород не попадали в скважину, кольцевой зазор между надфильтровыми трубами, установленными «впотай», и обсадными трубами, уплотняют специальными сальниками, конструкция которых определяется материалом, из которого они изготовляются. В качестве последнего используются дерево, пенька, резина, свинец и др. При установке гравийного фильтра вместо сальника в зазор между надфильтровой и обсадной трубами засыпается крупный гравий, высота засыпки должна быть не менее 5 м.

В некоторых случаях фильтр спускается на колонне обсадных труб, выходящих на поверхность. В устойчивых скальных породах водоносные горизонты могут эксплуатироваться «открытым стволом», т. е. без установки фильтра в интервале водоносного горизонта [11].

Для условий Беларуси широкое распространение получили безфильтровые водозаборные скважины, эксплуатирующие рыхлые породы – водоносные пески, залегающие под устойчивыми (обычно мелами или плотными девонскими глинами) выдержанными по мощности пластами путем разработки водоприемных каверн (полостей) с большой водозахватной способностью.

Оборудование устья скважины

Оборудование устья скважины зависит от положения статического уровня воды, типа и размера используемого насоса.

Для оснащения устья скважины при низком статическом уровне к опорному фланцу, приваренному к обсадной трубе, присоединяют нижний фланец насоса или сальник центробежного вертикального насоса.

Над устьем самоизливающейся скважины к обсадной колонне труб присоединяют оголовок с отводным коленом и задвижкой. К центробежному насосу подводят всасывающий патрубок.

При оборудовании устья фонтанирующей скважины без насоса устраивают оголовок, обеспечивающий регулирование подачи воды к потребителю, а также предотвращающий возможные гидравлические удары.

Автоматизация водоподъемных установок подразделяется на три группы:

1) полуавтоматическое управление;

2) дистанционное телеуправление;

3) автоматическое управление.

При полуавтоматическом управлении за оператором сохраняется обязанность только пуска и остановки насоса. Остальные операции выполняются автоматически. Телеуправление и интернет-мониторинг является дальнейшим развитием полуавтоматического управления. В обязанности диспетчера при этом входит управление всеми установками с одного пункта.

При автоматическом управлении все операции выполняются по определенной заданной программе. Автоматизация может осуществляться для одной или нескольких насосных установок.

Обычно регулирующая и управляющая аппаратура поставляется заводами в комплекте с насосными установками. В состав этой аппаратуры для насосов с погружными электродвигателями входят: станция автоматического управления, датчики уровня и давления.

Автоматическое включение и выключение насоса обеспечиваются станцией управления по сигналам датчика уровня, расположенного в водозаборном резервуаре или в баке водонапорной башни [5].