Новые конструкции фильтров скважин на воду

УДК 622.24

Скважины большого диаметра на воду должны предусматривать длительную и устойчивую работу во времени в различных природных условиях при требуемом режиме водоотбора. К сожалению, в России долгие годы отсутствовало централизованное изготовление качественных фильтров для скважин на воду. В настоящее время на основе проведенных исследований разработаны и запатентованы новые фильтры для скважин на воду, которые уже начали применяться для водоснабжения и дренажа.

Ключевые слова: скважины на воду, устойчивая работа во времени, срок службы скважин, гидравлические характеристики скважин, фильтры дренажных скважин.

Большинство скважин на воду (водоснабжение, дренаж) оборудуется фильтрами различного типа. В развитых странах для изготовления фильтров создана специальная отрасль промышленности - фильтростроение. Многие фирмы, занятые производством фильтров скважин на воду, имеют свои представительства в других странах. Так, фирма Johnson (США), созданная в 1904 году, имеет свои представительства в более чем 39 странах (Аргентина, Германия, Франция и т.д.). Большое количество фильтров различного назначения выпускается в Германии, Франции и других странах. Суммарный ежегодный оборот средств в области фильтростроения в мире превышает 50 млрд. долларов.

На фильтры утверждены стандарты, разработаны рекомендации, определены области их рационального применения. Ведущими фирмами постоянно выполняются большие исследования по совершенствованию конструкций фильтров, их антикоррозионной защите, применению новых материалов.

В ХХ веке наряду с организацией промышленного производства, его стандартизации выполнялся большой объем научно-исследовательских работ. В результате была создана фундаментальная теоретическая база, которая опиралась на многочисленные лабораторные, полевые исследования и испытания. В различных странах были созданы специализированные стационары для испытания эффективности работы фильтров скважин на воду различных конструкций и типов в различных природных условиях и режимах водоотбора.

Тесная связь науки с производством позволила разрабатывать, испытывать и внедрять в производство как новые конструкции фильтров, так и фильтры из различных материалов, сплавов.

Большое распространение получили фильтры на основе новых прочных неметаллических материалов, которые используются в основном для оборудования скважин для водоснабжения и дренажа на различные глубины с контурами гравийной обсыпки, рассчитанные на значительный водоотбор и длительный период эксплуатации.

Гидравлические потери скважин такой конструкции определяются потерями напора на границе пласта и контура гравийной обсыпки, в контуре обсыпки, на границе обсыпки с водоприемными отверстиями каркаса и на каркасе фильтра.

Рассмотрим эти сопротивления раздельно под углом разработки и использования новых конструкций каркасов фильтров с точки зрения создания в России отрасли фильтростроения.

Экспериментальными полевыми работами в различных природных условиях установлено [14], что гидравлические сопротивления на границе водосодержащих пород и контура гравийной обсыпки сопротивления изменяются в очень больших пределах и определяются преимущественно способами и технологиями бурения и освоения скважин. Доказано, что при использовании бурения роторным способом с прямой промывкой забоя различными глинистыми растворами гидравлические сопротивления в прифильтровой зоне оказываются настолько большими, что удельные дебиты скважин в 5-10 раз меньше пробуренных ударно-канатным или роторным способами с обратной промывкой чистой водой. С увеличением диаметра бурения растут и гидравлические сопротивления прифильтровой зоны.

Применение этого способа вскрытия водосодержащих пород нецелесообразно при любом гидравлическом или механическом способах освоения скважин на воду. Использование бурения скважин на воду методом прямой промывки может быть оправдано только в том случае, если вскрытие водоносного горизонта производится роторным способом с обратной промывкой чистой водой или ударно-канатным способом.

Характерно, что при проходке скважин большого диаметра роторным способом с обратной промывкой чистой водой на участках, где в верхней части разреза присутствуют супесчано-глинистые отложения, перед вскрытием водоносного горизонта необходимо производить промывку ствола чистой водой со сбросом пульпы, обогащенной глинистыми частицами. Несоблюдение этого требования зачастую приводит к относительно высоким потерям напора в прифильтровых зонах скважин на границе пласта и контура гравийной обсыпки.

Гидравлические сопротивления в прифильтровой зоне могут быть уменьшены на 3-10% за счет использования метода поинтервальной прокачки при освоении скважины (максимальные входные скорости в прифильтровой зоне отмечаются на участках, прилегающих к всасу водотборных средств, при прокачке используется способ скользящего эрлифта).

Соблюдение нормативных требований подбора гравия, использование гравия однородного состава (предупреждение возможности расслоения), технологии освоения скважин, как правило, обеспечивают проницаемость контура гравийной обсыпки выше пластовой.

Значительные гидравлические сопротивления наблюдаются в зоне наложения гравийных частиц на водоприемные отверстия каркаса фильтра, особенно при использовании каркасов с малой скважностью.

Минимальные гидравлические сопротивления наблюдаются на фильтрах с горизонтально расположенными щелями. Здесь, кроме наложения гравийных частиц на водоприемные отверстия, образуются застойные зоны на глухих, непроницаемых участках, представленных поверхностью фигурной проволоки, наборными кольцами, пластинами, вызывая изменения живого сечения потока воды. Эти участки и должны быть предметом пристального внимания конструкторов фильтров. Использование их для пропуска фильтрующихся вод повышает как скважность фильтров, так и существенно уменьшает их гидравлические сопротивления.

Исследования гидравлики каркасно-проволочных промышленных фильтров Johnson с горизонтальными щелями, выполненные Klotz [1], показали, что для них характерны большие значения водопроницаемости. При скважности каркаса 3-5% водопроницаемость каркасов составляет около 1 см/сек. С увеличением скважности до 40% проницаемость увеличивается до 30 см/сек., имея тенденцию к дальнейшему увеличению.

Полученные материалы многочисленных исследований и опытных работ позволяют сделать следующие выводы:
1. Проницаемость каркасов фильтров, срок эксплуатации скважин на воду пропорциональны их скважности.
2. Все типы фильтров скважин на воду подвержены кольматажу (механическому и химическому). Максимальные значения коэффициента «старения» имеют скважины с фильтрами меньшей скважности при большей величине водоотбора.
3. Минимальные гидравлические сопротивления имеют каркасы фильтров с горизонтально расположенными щелями большой скважности.
4. Приток воды в скважину по длине фильтров носит неравномерный характер. Входные скорости воды в каркас фильтра обратно пропорциональны диаметру каркаса.
5. Максимальные значения входных скоростей в фильтр наблюдаются у всасов водоотборных средств. Эти участки в наибольшей степени подвержены кольматажу в процессе эксплуатации.
6. Интенсивность кольматажа фильтров по их длине носит неравномерный характер в процессе эксплуатации.
7. Использование метода расходометрии для определения фильтрационных свойств грунтов водосодержащих толщ по расходограммам некорректно.

Опытные работы на действующих водозаборах и дренажах убедительно свидетельствовали о необходимости уменьшения гидравлических сопротивлений каркасов фильтров, увеличения их диаметров, совершенствования технологий бурения и освоения скважин.

В связи с этим ведущим направлением в области фильтростроения являются разработки по увеличению скважности каркасов, их диаметров, а также выполнение работ по созданию антикоррозионных покрытий, разработка линейки специальных сплавов для металлических каркасов.

Анализ существующих конструкций каркасов фильтров как в нашей стране, так и за рубежом показывает, что в применяемых конструкциях имеется существенный резерв для увеличения скважности каркасов.

В авторских свидетельствах на изобретения №№1448002, 1735513, патентах SU № 1808047 и UA №19177 увеличение водоприемной поверхности каркасов фильтров, увеличение водоотбора рассматривается за счет увеличения диаметра каркаса и величины понижения уровня воды в скважинах.

В патенте на изобретение RU №2166068 предложено увеличение скважности штампованных фильтров с отклонителями гравия Г-образной формы. Каркасы фильтров с отклонителями гравия различного вида изготавливаются методом штампования листового металла из стали, меди, бронзы толщиной 2,5-8 мм с последующей вальцовкой и сваркой.

Изготавливаемые таким образом фильтры имеют проходные фильтрующие отверстия, которые частично перекрыты «мостами», «козырьками», участками металла другого профиля [7].

В Германии выпуск конструкций из штампованных материалов с отклонителями гравия занимает основное место. Эти каркасы фильтров скважностью 5-27% широко применяются в дренажных и водозаборных скважинах в Западной Европе, арабских странах, странах Латинской Америки, Африке. Устанавливаются они под прикрытием контура гравийной обсыпки в агрессивных и неагрессивных средах при оборудовании скважин на любые глубины.

Считается, что при использовании этих каркасов исключается прямое наложение гравийных частиц на фильтрующие отверстия. В результате значительно уменьшаются гидравлические сопротивления в прифильтровой зоне. Каркасы штампованных фильтров из черных металлов имеют антикоррозионное покрытие (битумное, Inertol, хлоркаучук, эбонит, цинк, полиэтилен).

Освоен выпуск каркасов фильтров с мостообразными отверстиями фирмой Sisco [1] для оборудования скважин не только на воду, но также нефть и газ. Каркасы фильтров диаметром 4"-12" изготавливаются из гальванизированного железа, латуни и нержавеющей стали.

Для оборудования скважин на воду большой производительности фирмой Nold выпускаются каркасы фильтров из стали конструкции Schneider. В фильтре выдавленные прямоугольные отверстия размером 40x6 мм перекрыты козырьками шириной 8 мм со свободным проходом 6 мм. Каркасы имеют полиэтиленовое антикоррозионное покрытие. Эта же фирма выпускает щелевые каркасы фильтров из полиэтилена с мостообразными отверстиями, изготавливаемые литьевым способом. Для отклонения гравия на наружной поверхности каркасов выполнена мелкая ребристость. Скважность таких каркасов составляет 15-20% при диаметрах 200-300 мм.

Гидравлические исследования каркасов фильтров с мостообразными отверстиями показывают, что значения их водопроницаемости меньше, чем у каркасно-проволочных. Нарушение линейного режима фильтрации в каркасах фильтров с мостообразными отверстиями наблюдается при скоростях 0,03-0,4 см/сек. против 0,17-1 см/сек. у каркасно-проволочных.

Патентом на изобретение RU №2166066 [8] предусматривается увеличение скважности каркасов фильтров с мостообразными отверстиями с 5-27,33% до 30,8% путем выдавливания при штамповке дополнительных мостообразных отверстий.

Патентом на изобретение RU №2166067 [9] предлагается увеличение скважности каркаса фильтра с мостообразными отверстиями с 23,8% до 39,2% путем устройства прямоугольных щелей, расширяющихся внутрь каркаса, в мостообразных отверстиях, выполняемых согласно стандарту DIN 4922.

Патентом на изобретение RU №2166068 [10] предлагается устройство парно устроенных Г-образных отклонителей гравия с зазором между их концами. В результате возможно увеличение скважности каркаса с 10-27% до 50-60%. Причем, новый каркас предусматривает также устройство антикоррозионных покрытий.

Дальнейшие разработки по улучшению гидравлических характеристик каркасов фильтров привели к изобретению каркасов фильтров повышенной скважности, не имеющих аналогов в мировом фильтростроении.

Анализ работы фильтров показывает, что глухие участки каркасов, представленные наружной поверхностью обмоточной проволоки, наборных колец из различных материалов, пластин и т.д. не принимают участия в пропуске воды в скважины, а служат лишь опорным каркасом для водосодержащих пород или гравия.

Техническим результатом в патентах на изобретения [11-13] явилось значительное увеличение скважности, водопроницаемости каркасов фильтров путем устройства на их наружной поверхности дополнительных горизонтальных, наклонных полусферических углублений, параллельных основным горизонтальным щелям, имеющих такую же ширину и соединенных с основными водопропускными щелями для пропуска фильтрующихся вод внутрь фильтра.

При наружной ширине профилированной проволоки более 3 мм и пластмассовых колец, пластин более 5 мм устраивают два и более дополнительных горизонтальных паолусферических углублений с целиками, равными 0,5 мм для металлических каркасов и 1 мм - для пластмассовых. Ширина целиков между вертикальными дополнительными полусферическими углублениями составляет 1 мм для металлических и 3 мм для пластмассовых конструкций.

Устройство полусферических горизонтальных и наклонных углублений в металлических конструкциях выполняется механическим путем (протяжка через форму с последующим поперечным вальцеванием), а в пластмассовых конструкциях - применением специальных прессформ. При этом площади поперечных сечений элементов конструкции не уменьшаются, сохраняя его прочностные характеристики.

Согласно расчетам данные конструкции водоприемной поверхности имеют скважность 75-92%, а проницаемость в 1,5-3 раза выше прототипов. Каркасы фильтров изготавливаются тех же типоразмеров, что и известные устройства. Данные конструкции фильтров с водоприемной поверхностью из неметаллических материалов (полипропилен, полиэтилен) освоены на заводе АО «Содружество-92» (г. Краснодар).

Более 400 дренажных скважин большого диаметра оборудовано данными конструкциями с гравийной обсыпкой, обеспечив водопонижение на подтапливаемых участках Краснодарского края (Краснодарское водохранилище) и Республики Адыгеи.

В России для оборудования водозаборных и дренажных скважин каркасы фильтров диаметром более 500 мм не изготавливаются. Фирмой Edward E. Johnson Inc выпускаются каркасно-проволочные металлические фильтры диаметром до 1250 мм.

Патентом на изобретение RU №2131018 предлагается изготовление каркасов фильтров диаметром до 1500 мм путем сборки из элементарных фигурных пластин полипропилена длиной 155 мм, шириной 15-27 мм и толщиной 2-3 мм, изготавливаемых методом литья. На концах пластин трапециедального сечения имеются соединительные кольца для пропуска анкерных болтов (стержни металлические или пластиковые). При сборке звеньев по 2-3 м получаются каркасы многогранной формы, близкие к круговой.

Скважность каркасов фильтров зависит от толщины пластин, зазоров между ними и может достигать25-50%. Фильтры устанавливаются в скважины большого диаметра под прикрытием контура гравийной обсыпки. Соединение звеньев в фильтровую колонну фланцевое, клеевое. Глубина установки в скважины составляет до 100 м на общей колонне. Данные фильтры могут устанавливаться в неагрессивные и агрессивные среды. Учитывая малые гидравлические сопротивления, эффективно их применение для оборудования высокодебитных скважин, а также скважин в зоне экологического бедствия (разлив нефтепродуктов, кислот, щелочей, загрязнение радионуклидами и др.).

Выводы

Представленные разработки являются прорывными в области фильтростроения. Россия в настоящее время не имеет отрасли фильтростроения. Использование данных наработок и их дальнейшее развитие позволят в короткие сроки создать современную передовую отрасль промышленности - фильтростроение - с обеспечением качественными фильтрами как для собственных нужд, так и на экспорт.

Литература:
1. Алексеев В.С. и др. Зарубежный опыт конструирования и расчета фильтров скважин на воду. ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия. Серия гидрогеология и инженерная геология. М. 1972.
2. А.с. SU №1448002,1984 г. Водозаборная скважина.
3. А.с. SU №1735513, 1987 г. Водозаборная скважина.
4. А.с. SU №1808047, 1987 г. Водозаборная скважина.
5. Патент на винахiд UA №19177, 1997 г. Водозабiрна свердловина.
6.Патент на изобретение RU №2131018,1996 г. Фильтр скважинный сборный из пластин полипропилена.
7. Патент на изобретение RU №2131019, 1996 г. Фильтр скважный.
8. Патент на изобретение RU №2166066, 1998 г. Фильтр скважинный.
9. Патент на изобретение RU №2166067, 1998 г. Фильтр скважинный
10. Патент на изобретение RU №2166068, 1998 г. Фильтр скважинный.
11. Патент на изобретение RU №2132935, 1998 г. Фильтр скважинный повышенной проницаемости.
12. Патент на изобретение RU № 2243330, 2000 г. Фильтр скважинный повышенной проницаемости.
13. Патент на изобретение РФ №2586359, 2015 г. Фильтр скважинный улучшенной проницаемости.
14. Ткаченко В.П. Натурные исследования за работой скважин большого диаметра во времени. Журнал «Вода Magazine», №2 (126), февраль 2018, с.26-30.
15. Ткаченко В.П. Исследование изменения проницаемости прифильтровой зоны при различных способах бурения скважин на воду. Журнал «Гидротехника». №1(50) 2018, с.88-95.

New designs of water well filters

Large-diameter wells for water should provide long-term and stable operation in time in different environmental conditions with the required mode of water drainage. Unfortunately, in Russia for many years there was no centralized production of quality filters for water wells. And finally, on the basis of the research (which were considered in the article of the author and published in №128 of our journal - approx. ed.) developed and patented new filters for water wells, which are now being used for water supply and drainage.

Keywords: borehole water, steady work in time, the service life of the wells, the hydraulic characteristics of the wells, filters and drainage wells.

Tkachenko Valentin Petrovich, doctor of technical Sciences, Professor of the Department of architecture and ecology of the Sochi state University. 354008, Russia, Krasnodar region, Sochi, street Polytechnic, 7. E-mail: tvp@Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №6 (130) 2018 г.