Файл: Сооружение высокодебитных водозаборных и дренажных скважин..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.07.2024
Просмотров: 143
Скачиваний: 0
СООРУЖ ЕНИЕ ВЫСОКОДЕБИТНЫХ
ВОДОЗАБОРНЫ Х И Д РЕ Н А Ж Н Ы Х СКВАЖ И Н
П о д р е д а к ц и е й доктора технических наук В. М. ГАВРИЛКО
МОСКВА «КОЛОС» 1974
631.G
С 63
УДК 631.672.122
А В Т О Р Ы : доктор технических наук В. М. Гаврилко. кандидаты технических паук В. С. Алексеев п /1. Я. Гуркин,
инженеры Н. Д. Бессонов. А. Я. Ншцименко, В. Л. Слчнко и В. П. Ткаченко.
ЭКЗЕМПЛЯР $ ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА >
Сооружение высокодебитных |
водозаборных и |
||
С 63 дренажных |
скважин (Под ред. |
д-ра |
техн. наук |
В. М. Гаівіриліко). АТ., «Колос», 1974. |
|
||
175 с. с ил. |
(Новое в сельск, хоз-івс). |
|
|
На обороте |
тит. л. авт.: В. М. Га рилко, В. |
С. Алексеев. |
А. Я. Гуркин и др.
Содержит сведения о конструкциях установок, которые применя лись для бурения скважин большого диаметра за последние годы (1967—1972), а также рекомендации по технологии бурения, выбору и расчету фильтров, по подбору гравийных обсыпок и технологии их устройства.
Обобщен опыт бурения скважин различного целевого назначения в республиках Советского Союза с указанием экономической эффек тивности от внедрения роторного способа бурения скважин с обратной промывкой.
40305—137 |
631.6 |
С------------------49—74 035 (01)—74
© Издательство «Колос», 1974
В В Е Д Е Н И Е
Планом ^развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. предусмотрено интенсивное использова ние подземных вод для городского, сельскохозяйствен ного и промышленного водоснабжения, орошения с за бором воды в основном из скважин. При сооружении глубоких строительных котлованов, устройстве верти кального дренажа, защите территорий от подтопления, осушении угольных и рудных месторождений также ис пользуют скважины.
Водозаборные и дренажные скважины должны быть высокодебитными и эффективными в эксплуатации.
При сооружении высокодебитных скважин увеличи вается общий и удельный дебит, сокращается их число на единицу площади при орошении и дренаже, умень шаются число насосных установок и затраты на устрой ство оголовков и подвод электроэнергии, а также на обслуживание скважин.
Сооружение высокодебитных скважин возможно лишь в благоприятных гидрогеологических условиях: при большой мощности водоносных горизонтов, высоких коэффициентах фильтрации, хорошем восполнении за пасов ©оды. В 'неблагоприятных условиях (малая мощность воп'онооных горизонтов, представленных мелкозернистыми фракциями песков, небольшие коэф фициенты фильтрации, переслаивание водоносных пород глинами и суглинками) сооружаемые с прямой про мывкой забоя глинистым раствором скважины, как правило, бывают малодебитными. В таких условиях изме нение способа бурения позволяет увеличить в несколь ко раз дебит скважин, что представляет большой прак тический интерес.
Как показал опыт, увеличение дебита достигается при бурении скважин большого диаметра, оборудован ных фильтрами гравийного типа.
При эксплуатации скважин установлено, что про должительность' их работы зависит от химического со-
3
става подземных вод, количества отбираемой воды, кон струкций фильтров и условий эксплуатации. Наиболее продолжительной работоспособностью при минимальных входных сопротивлениях обладают скважины, оборудо ванные фильтрами гравийного типа. Сооружение таких скважин возможно только при бурении большими диа метрами (от 500 мм и более), для чего применяют свар ные, безмуфтовые трубьт.
Высокодебитные скважины следует оборудовать фильтрами малых входных сопротивлений на основе каркасов большой скважности с мощным контуром гра вийной обсыпки. Такие сківажіины (D='520—720 мм) институт Водгео начал в 1948 г. бурить ударным способом на водозаборах химических промышленных ■предприятий г. Дзержинска Горьковской области. При обсадке стволов скважин сварными трубами применяли редукторные лебедки и впервые в нашей стране были предложены и внедрены каркасио-стержневые фильтры со скважностью 50—60%.
Массовое бурение скважин большого диаметра с ус тановкой фильтров гравийного типа началось в 1951— 1953 гг. в связи со строительством Куйбышевской и Волгоградской ГЭС. Здесь разработка котлованов под здание ГЭС, водосливные плотины и шлюзы проходила под защитой водопоиизителыіых скважин. Сооружали их гидравлическим способом с применением мощных вибраторов (гидровибробурение).
Основной недостаток указанных выше способов бу рения — повышенный расход труб больших диаметров.
В 1939—1940 гг. за рубежом появились сообщения о новом методе бурения скважин роторным способом с обратной промывкой. Позднее с этими установками оз накомились в полевых условиях советские специалисты, выезжавшие в ФРГ, ГДР и другие страны.
Преимущества роторного способа с обратной промыв кой заключаются в следующем:
бурение скважин диаметром от 500 до 1200 мм не требует крепления ствола обсадными трубами;
скорость бурения по сравнению с ударно-канатным способом увеличивается в 10—45 раз;
исключены трудоемкие операции по посадке, извле чению, сварке и резке обсадных труб;
глинистый раствор заменяют водой, в результате че го не происходит кольматации стенок и в 4—8 раз уве
4
личивается производительность по сравнению со сква жинами, пробуренными с глинистой промывкой и в 1,5—• 2 раза ■— с пробуренными ударным способом;
обеспечивается надежное устройство гравийных об сыпок, большой приток воды к скважинам и снижается вероятность пескования;
минимальный объем извлекаемой при бурении из за боя породы предупреждает ее смещение по вертикали, что предотвращает снижение проницаемости водонос ных пород на участке установки фильтров.
Несмотря на указанные преимущества, бурение скважин на воду в осадочных породах роторным спосо бом с обратной промывкой забоя в течение длительно го времени не было распространено. Известны лишь единичные случаи применения этого способа в комби нации с другими. Например, обратную промывку в ком бинации с прямой применял трест «Союзшахтоосушение» при сооружении водопонижающпх скважин глубиной 230—280 м на Белозерском железорудном место рождении. Работы выполнялись станком БУ-75. До водосодержащих песков проходку ствола проводили ро торным способом с прямой промывкой, а вскрытие во досодержащих пород и проходку ствола на участке ус тановки фильтра — роторным с обратной промывкой забоя чистой водой и удалением породы эрлифтом. Даже такая комбинация способов давала большой экономи ческий эффект, потому что снижала затраты на соору жение скважин (за счет исключения работ по разглинизации), а также в значительной степени улучшала экс плуатационные показатели.
Широкое распространение роторного способа буре ния с обратной промывкой забоя началось в 1966 г. в Украинской ССР*.
Управлением службы эксплуатации защитных соору жений на Каховском водохранилище в декабре 1966 г. пробурены две опытные скважины диаметром 1000 мм при помощи станка УРБ-ЗАМ, переоборудованного под обратную промывку, а с 1967 по 1971 г. организациями Министерства мелиорации и водного хозяйства УССР пробурено 518 скважин глубиной от 20 до 86 м.
* Рационализаторское предложение В. М. Гаврплко, В. М. Кавацгока и В. А. Мерщня «Навесное оборудование к станкам УРБ-ЗАМ для бурения скважин большого диаметра методом обратной про мывки чистой водой».
5
Благодаря широкому обмену опытом и популяриза ции нового метода бурения в печати к 1972 г. его освои ли десятки производственных и проектно-изыскатель ских организации нашей страны.
Переоборудованными для способа обратной промыв ки станками уже сооружено более 1000 скважин.
В настоящей работе обобщены материалы по соору жению скважин большого диаметра роторным способом с обратной промывкой забоя чистой водой, полученные: Всесоюзным научно-исследовательским институтом во доснабжения, канализации, гидротехнических сооружений ■и инженерной геологии (Водгео), Производственным .и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНПИИС), Гидрогеологи ческой экспедицией Министерства мелиорации_и водного хозяйства УССР, Управлением службы эксплуатации защитных сооруженій'! на Каковском водохранилище, Александрийской партией шахтной геологии, техниче ского и разведочного бурения, трестами «Укрводстрой», «Промбурвод», «Голодиостепстрой», «Мелиоводстрой», «Союзшахтоосушение» и другими организациями.
ГЛАВА I
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СКВАЖИНАМ НА ВОДУ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ДРЕНАЖА, ОРОШЕНИЯ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Основным критерием, предопределяющим целесооб разность заложения скважин на тот или иной водонос ный горизонт, является возможность отбора из него не обходимого количества воды или создания требуемого понижения уровня. При этом конструкция скважины должна надежно обеспечивать ее работу с заданным дебитом (динамическим понижением) в течение всего расчетного периода эксплуатации. Местоположение и конструкцию водозаборной скважины следует выбирать, исходя из геологического строения (стратиграфии, лито логии, тектоники), а также условий и глубины залега ния подземных вод, состава и фильтрационных свойств водоносных пород, характера взаимосвязи водоносных горизонтов и их режима в сезонном и многолетнем раз резе.
Во всех случаях водоприемная способность скважин, помимо других факторов, в значительной степени зави сит от способа бурения.
Конструкция скважины определяется заданным деби том и глубиной, а также типом водоподъемника и по верхностным устройством устья скважины.
Если для отбора заданного количества воды или соз дания необходимого понижения уровня грунтовых вод на орошаемых площадях предусмотрена группа взаимо действующих скважин, их конструкции должны обес печивать наибольшую водозахватную способность и на дежность в эксплуатации. Только при выполнении этих условий поставленную задачу можно решить минималь ным числом скважин.
Водозахватная способность скважины зависит от спо соба бурения, ее диаметра, диаметра и длины фильтра, его конструкции; мощности контура гравийной обсыпки; сохранения естественных фильтрационных свойств водо носных пород в'прифильтровой зоне.
При сооружении скважин на воду в основном приме няют два способа бурения: роторный и ударный.
7
Роторное бурение позволяет ускорить проходку скважин и до минимума снизить расход обсадных труб. Однако использование глинистого раствора в качестве промывочной жидкости резко ухудшает фильтрацион ные свойства пород в прифильтровых зонах и снижает производительность скважин. Существующие методы разглииизацни еще недостаточно эффективны и весьма трудоемки.
При ударном бурении скорость проходки скважин невелика. По данным буровых трестов («Промбурвод» Мпнмонтажспецстроя СССР, «Укрбурвод», «Промбур вод» БССР), выработка на один станок УКС-22, УКС-30 составляет 500—600 м в год. Конечный диаметр буре ния 400 мм.
При бурении скважин большого диаметра с приме нением сварных безмуфтовых труб и без того низкие скорости ударно-канатных станков снижаются в не сколько раз. При ударно-канатном бурении ввиду ма лого выхода колонн обсадных труб (20—35 мм) при глубинах скважин до 100 м и более диаметры скважин сильно уменьшаются, что исключает возможность созда ния вокруг фильтра контура гравийной обсыпки требу емой мощности.
В отечественной практике для бурения бкважин ро торным способом с прямой промывкой применяются станки УРБ-2А, УРБ-ЗАМ и 1БА-15В и др. Этими стан ками бурят разведочные скважины при помощи шаро шечных долот с промывкой забоя глинистым раствором. Раствор на забой подают по штангам диаметром 50; 60,3; 73 мм с применением насосов 11 Гр производитель ностью 5 л/с, 9 Гр производительностью 17 л/с и др. Для удаления породы из забоя она должна быть раз дроблена до величины 5 мм. Глинистый раствор, омывая долото, транспортирует шлам из забоя на поверх ность со скоростью до 0,8 м/с. Учитывая малый конеч ный диаметр скважин, бурение ведут при большом чис ле оборотов ротора.
Циркуляция промывочной жидкости при прямой про мывке забоя происходит следующим образом. Из от стойника жидкость подается насосом по шлангам и буровым штангам на забой. Разбуренная порода захваты вается раствором и, поднимаясь на поверхность по про странству между стенкой скважины и бурильной колон ной, сбрасывается в отстойник. Раствор, очищенный от
8
Sh
?
ж
Рис. 1. Схема роторного бурения скважин с прямой промывкой забоя:
/ — долото; 2 — бурильная труба; 3 — ротор; 4 — вертлюг; 5 — гибким шланг; ö — насос; 7 — промывочная жидкость; 8 — отстойник.
бурового шлама, закачивается на забой скважины, пос ле чего процесс вновь повторяется. Схема установки с прямой промывкой приведена на рисунке 1.
Для роторного бурения скважин с обратной промыв кой в качестве бурильных штанг применяют толстостен ные цельнотянутые трубы диаметром от 100 до 200 мм. Ствол буримой скважины соединяется с отстойником при помощи трубы или канавы, что обеспечивает сво бодное перетекание воды по принципу сообщающихся сосудов. Для того чтобы удержать породы в незакреп ленном стволе от обвала, столб воды, находящийся в скважине, должен иметь высоту не менее 3 м над ста тическим уровнем.
Разработка пород в забое ведется долотом со скоро-- стыо вращения ротора от 10 до 65 об/мин.
9