Лабораторна робота № 2. Фільтри водозабірних свердловин

Фільтри водозабірних свердловин

Год.

Мета роботи:Вивчити типи і область застосування фільтрів водозабірних свердловин.

Матеріальне забезпечення лабораторної роботи

Модель фільтрувальної колони; моделі фрагментів каркасно-стрижневого, трубчастого із круглою й щілинною перфорацією, дротового, сітчастого, гравійно-кожушаного і блокового фільтрів.

Загальні відомості про встаткування водоприймальної частини свердловини

Фільтр установлюється в свердловинув зоні експлуатаційного водоносного шару при заборі води з піщаних і нестійких скельних порід. Він призначений для пропуску в свердловину води без механічних домішок і запобігання обвалів водоносного шару під час роботи свердловинного насоса. Фільтрувальна колона (рис. 2.1) складається з водоприймальної (робочої) частини – фільтра, надфільтрової труби й відстійника.

Верхня частина надфільтрової труби повинна бути вище башмака обсадної колони не менше, ніж на 3 м при глибині свердловини до 30 м і не менше, ніж на 5 м при глибині свердловини більше 30 м. Довжина відстійника приймається до 2м залежно від характеру ґрунту водоносного шару.

Водоприймальна частина збирається з окремих ланок, довжина яких 2 - 5 м, за допомогою різьбових муфт або зварювання. Довжина водоприймальної частини залежить від потужності водоносного шару, продуктивності свердловини, водопроникності порід, гідрохімічних умов. Фільтрувальні колони опускають у свердловину:

а) на суцільній колоні обсадних труб;

б) на колоні обсадних труб з наступним відгвинчуванням другої частини;

в) на бурових трубах.

Рис. 2.1 – Фільтрувальна колона

1 – робоча частина фільтрувальної колони; 2 – експлуатаційна колона обсадних труб; 3 – муфта з ²Г²- подібним вирізом; 4 - нижнє кільце (приварене до тіла фільтра); 5 - верхнє кільце(вільно одягнене на фільтр); 6 – сальник; 7 – відстійник; 8 – надфільтрова частина

 

Вимоги до конструкції фільтрів:

1. Необхідна механічна міцність конструкції й достатня стійкість проти хімічної й електрохімічної корозії.

2. Шпаруватість фільтрів (відношення сумарної площі отворів до площі фільтра) і розмір прохідних отворів, враховуючи можливість хімічного й механічного кольматажу при експлуатації, повинні бути максимальними.

3. Під час експлуатації свердловини фільтр повинен охороняти її піскування.

4. Діаметр фільтрувальних каркасів розраховується на можливість пропуску води зі швидкістю до 1,5-5 м/с.

5. Фільтри повинні бути доступними для проведення різних операцій з відновлення продуктивності свердловини хімічними реагентами й бути стійкими до впливу підривних методів.

 

Вибір типу фільтра й розмірів його прохідних отворів

Тип фільтра водозабірної свердловини визначається залежно від глибини свердловини, прийнятого способу її буріння й характеристики водоносного шару. При цьому для сипких порід слід визначити ґранулометричний склад з метою встановлення:

а) , , - розмірів часток, менше яких у водоносному шарі вміщається відповідно 10, 50, 60%;

б) коефіцієнта неоднорідності породи .

Вимоги державного стандарту до прийняття типу й конструкції фільтра наведено в табл. 2.1.

 

Таблиця 2.1 – Вибір типу й конструкції фільтра

Породи водоносних шарів	Типи й конструкції фільтрів
1. Скельні й напівскельні нестійкі породи, щебеневі й галечникові відкладення з переважним розміром часток 20 - 100 мм (більше 50% за масою)	Фільтри каркасні (без додаткової фільтруючої поверхні) стрижневі й трубчасті із круглою й щілинною перфорацією, штамповані зі сталевого нержавіючого листа товщиною 4 мм із антикорозійним покриттям, спірально-стрижневі.
2. Гравій, гравелистий пісок із крупністю часток від 2 до 5 мм (більше 50% за масою)	Фільтри стрижневі й трубчасті з водоприймальною поверхнею із дротової обмотки або сталевого нержавіючого штампованого листа. Фільтри, штамповані зі сталевого нержавіючого листа товщиною 4 мм із антикорозійним покриттям, спірально-стрижневі.

 

 

Продовження таблиці 2.1

3. Крупні піски з розміром часток 1-2 мм (більше 50% за масою)	Ті ж
4. Середньозернисті піски крупністю 0,25-0,5 мм (більше 50% за масою)	Фільтри стрижневі й трубчасті з водоприймальною поверхнею із дротової обмотки й сіток квадратного плетива, штампованого листа з нержавіючої сталі з піщано-гравійною обсипкою, спірально-стрижневі.
5. Дрібнозернисті піски крупністю 0,1-0,25 мм (більше 50% за масою)	Фільтри стрижневі й трубчасті з водоприймальною поверхнею із дротової обмотки й сіток галунного плетива, штампованого листа з нержавіючої сталі з одношаровою або двошаровою піщано-гравійною обсипкою, спірально-стрижневі.

 

Розміри прохідних отворів фільтрів при влаштуванні гравійної обсипки приймаються рівними середньому діаметру часток об’єму гравійної обсипки, що прилягають до стінки фільтра, а без облаштованості гравійної обсипки – по табл. 2.2, у якій наведено вимоги державного стандарту до прийняття розмірів прохідних отворів фільтрів. Менші значення коефіцієнтів при стосуються дрібнозернистих порід, а більші – грубозернистих.

 

Таблиця 2.2 – Визначення розмірів отворів фільтрів

Тип фільтра	Розміри отворів фільтра
Кн£2	Кн³2
Із круглою перфорацією	(2,5…3,0)	(3…4)
Із щілинною перфорацією	(1,25…1,5)	(1,5…2)
Сітчасті	(1,5…2)	(2…3)
Дротові	1,25	1,5

Конструкції фільтрів

1. Трубчасті фільтри із круглою й щілинною перфорацією (рис. 2.2) являють собою трубу з водоприймальними круглими отворами (2) або у вигляді вузьких щілин (3). Відстань між центрами круглих отворів приймається рівним у горизонтальному напрямку 1,5-2, у вертикальному – 1,25-1,5 діаметрів отворів. Довжина щілини приймається 25-100 мм, відстань між щілинами у вертикальному напрямку – 10-20 мм, у горизонтальному 10а (а- ширина щілини). Щілини повинні бути трапецеїдальними з розширенням у середині труби. Це запобігає заклинюванню часток породи в щілинах. Для виготовлення таких фільтрів застосовують сталеві обсадні, азбестоцементні, пластмасові, порцелянові та інші труби. Шпаруватість трубчастих фільтрів повинна бути 20-25%.

2. Стрижневі фільтри (рис. 2.3) виготовляють зі сталевих стрижнів (1) марки Ст. 5 і Ст. 7 діаметром 6, 10, 12, 14, 16 мм довжиною від 2 до 3,5 мм, приварених до сполучних патрубків (2) зі сталевих труб довжиною 250-300 мм. Для надання фільтру потрібної жорсткості через кожні 200-300 мм по всій висоті його ланцюга між стрижнями вставляють і приварюють до них кільця жорсткості (3) з обрізків обсадних труб відповідного діаметра. Стрижневі фільтри рекомендують установлювати в свердловинах глибиною до 120 м.

 

Рис. 2.2 - Трубчасті фільтри із круглою й щілинною перфорацією.

 

Рис. 2.3 - Стрижневий фільтр

 

3. Спірально-стрижневі фільтри (рис. 2.4) мають в основі спіраль (2) із привареними до неї стрижнями (3), кінці яких так само приєднані зварюванням до сполучних патрубків (1). Для опорного каркасу використовується спіраль із круглого прокату діаметром 6-11 мм із кроком навивки 20-60 мм із 9-13 стрижнями діаметром 9-10 мм. Спірально-стрижневі фільтри встановлюються в свердловинах глибиною до 200 м.

Рис. 2.4 – Спірально-стрижневий фільтр

 

4. Фільтри з водоприймальною поверхнею із дротовою обмоткою (рис.2.5)виготовляють на стрижневому каркасі (1, 2, 3 – ті ж позначення, що на рис. 2.3) або на каркасі із трубчастого фільтра із круглою й щілинною перфорацією (5) шляхом намотування по спіралі прута (4) з нержавіючої сталі діаметром 2-4 мм. При цьому на трубчастий каркас установлюють довгі стрижні (6) зі сталі марок Ст. 3, Ст. 5 діаметром 5-10 мм. Для запобігання сповзанню витків намотування, їх прикріплюють до стрижнів епоксидною смолою ЕД-5 і ЕД-6 або пайкою з м'яким припоєм. Шорсткість таких фільтрів повинна бути не більше 30-60%.

Рис. 2.5 - Фільтри з водоприймальною поверхнею із дротовою обмоткою

 

5. Фільтри з водоприймальною поверхнею зі штампованого сталевого листа з антикорозійним покриттям. Штампований просічений лист виготовляється зі сталевого нержавіючого листа товщиною 0,7-1 мм шляхом просічення отворів з витяжкою або щілинами різної форми відкритого типу (рис. 2.6).

Монтаж просіченого листа (1) виконується на стрижневому каркасі (2) безпосередньо по стрижню або на каркасах трубчастих фільтрів (3) із круглою або щілинною перфорацією – по попередньо намотаних і закріплених на кінцях підігнутими сталевими планками поліетиленовим або гумовим шнуром діаметром 4-6 мм. Крок навивки шнура 60-100 мм. Складання просіченого листа з каркасом виконується за допомогою ланцюгових обтисків і зварювання. Шорсткість фільтрів повинна бути не більше 30-60%.

 

Рис. 2.6 - Фільтри з водоприймальною поверхнею зі сталевого штампованого листа

6. Фільтри з водоприймальною поверхнею із сіток (рис.2.7). На трубчастий каркас із круглою або щілинною перфорацією (1) установлюється підкладкова намотка (2) з нержавіючої сталі діаметром 5-10 мм або синтетична гофрована сітка (3). Зверху за допомогою пайки або зшивання кріпиться сітка (5) із латуні або нержавіючої сталі. До стрижневого каркаса (4) сітка кріпиться безпосередньо.

Рис. 2.7 - Фільтри з водоприймальною поверхнею із сіток

 

Найчастіше для фільтрів використовують сітки галунного (гладкого) плетива із дробовим позначенням номерів 6/70; 7/70 і т.д. Цифра чисельника показує кількість вертикальних прутів основи, а знаменник – кількість горизонтальних прутів на 1 дюйм сітки. Можливе використання сіток квадратного плетива з номерами 2,6; 2,5; 1,25 і т.д., що позначає розмір чарунок.

Як підкладкове підмотування під робочу сітку використовують сітку квадратного плетива з розміром гнізда 15 мм або поздовжній дріт діаметром 3-4 мм, зверху якого намотується спіраль із дроту діаметром 2-3 мм із відстанню між 15-25 мм.

7. Гравійні фільтри складаються зі стрижневого або трубчастого каркаса з водоприймальною поверхнею із дротової обмотки або сталевого штампованого листа, або із сітчастого покриття. Тип водоприймальної поверхні приймається залежно від 50% діаметра часток обсипки, яке прилягає до конструкції фільтра.

П’ятидесятипроцентний діаметр часток, які контактують із водоприймальною поверхнею, приймається , де - 50% діаметр часток водоносної породи. При облаштованості дво- або тришарової гравійної обсипки співвідношення , де , - середній діаметр часток матеріалу сусідніх шарів обсипки.

Гравійні фільтри можуть виготовлятися у вибої свердловини після установки фільтрувального каркаса в свердловину (обсипні фільтри) і на поверхні землі (кожушані, кошикові), які опускають у свердловину в зібраному виді.

Обсипний гравійний фільтр (рис. 2.8) складається з каркаса (1), ліхтарів (2), обсипки (3). Улаштовують його в такий спосіб: у свердловину, яка обсаджена трубами (4) до підошви водоносного горизонту, опускають фільтр із водоприймальною поверхнею із дротовою обмоткою (сталевого листа або сітчастого покриття), зовнішній діаметр якого повинен бути не менше ніж на 100 мм менше внутрішнього діаметра обсадних труб. Це забезпечить товщину обсипки більше 50 мм. Для центрування фільтра в свердловині на ньому в декількох місцях електрозварюванням прикріплюють ліхтарі (напрямні планки зі смугової сталі довжиною 6-8 мм). Зовнішній діаметр по крайках ліхтарів повинен бути на 15-20 мм менше внутрішнього діаметра обсадних труб.

Рис. 2.8 - Гравійний обсипний фільтр

 

У кільцевий простір між фільтром і обсадною трубою по трубі діаметром 38-50мм засипають дрібними порціями відсортований гравій або пісок. При засипанні через певні інтервали (0,5-5 м) поступово піднімають обсадну трубу з таким розрахунками, щоб внутрішня крайка засипки перебувала постійно в кільцевому зазорі між фільтром і обсадною трубою. Після того, як увесь фільтр буде повністю відкритий, підняття обсадної труби буде закінчено, але обсипку слід довести на 5-10 м вище башмака обсадної труби.

Гравійно-кожушані фільтри (рис. 2.9) збираються на поверхні землі й у готовому виді опускаються в свердловину.

Рис. 2.9 – Гравійно-кожушаний фільтр

 

До нижньої частини каркаса (1) кріплять хомутами (2) кожух, в утворений простір засипають гравійну обсипку (3), а потім хомутами прикріплюють до каркаса верхню частину кожуха. Як кожух використовують просту сталеву сітку квадратного плетива із чарунками 2×2 або 3×3 мм (4) або штампований лист (5). При цьому товщина обсипки повинна бути не менше 30 мм, а отвори в каркасі повинні починатися на 400-500 мм нижче верхньої крайки обсипки.

Кошиковий фільтр виготовляють на поверхні землі у вигляді кошиків (1) (рис. 2.10), приварених нижньою частиною до сталевої труби (2). При цьому в трубі в основі кошиків зроблені отвори (3). У кошик засипають один або два шари гравію з умовою, що товщина кожного шару становить не менше 30 мм.

Рис. 2.10 – Кошиковий фільтр

8. Блочні фільтри збирають на поверхні землі із блоків (4) (рис. 2.11) з пористої кераміки, пористого бетону й ін. До стрижневого (1) або трубчастого (2) каркасу приварені опорні фланці (3), на які одягнені окремі блоки фільтра й розділені гумовими ущільнювальними прокладками (5). Діаметр пор у блоці становить 0,2-0,45 мм, довжина блоку 330-350 мм, товщина стінок – 15-30 мм. Блочні фільтри не рекомендують для установки в свердловині, пробуреній із застосуванням глинистого розчину, у глинистих пісках і у воді з підвищеним вмістом солей заліза й кальцію.

Рис. 2.11 - Блочні фільтри

 

Контрольні питання

1. Де й у яких умовах установлюють фільтр у свердловині?

2. При проектуванні свердловини які параметри слід визначати за гранулометричним складом сипких водоносних порід?

3. Із чого складається фільтрувальна колона?

4. У чому полягає необхідність установки в свердловині сальника?

5. Для чого у фільтрувальній колоні передбачено відстійник?

6. Які вимоги пред'являються до фільтрів?

7. Від чого залежить вибір типу й конструкція фільтра?

8. Як виглядають трубчасті фільтри?

9. Які особливості стрижневих фільтрів?

10. Із чого складаються гравійні фільтри?

11. Перелічіть операції щодо спуску фільтра у свердловину.

12. За яких умов не рекомендується установка блочного фільтру?

Рекомендована література

1. Тугай А.М., Орлов В.О. Водопостачання: Підручник.- К.: Знання, 2009.- 735с.

2. ДБН В.2.5 - 74:2013. Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди. Основні положення. – Київ: Міністерство регіонального розвитку, будівництва та житлово-комунального господарства України, 2013. -182с.

3. Нежлукченко В.М., Задорожний А.І. Проектування системи водопостачання населеного пункту / Методичні вказівки до виконання курсового проекту для студентів № курсу денної та 4 курсу заочної форм навчання напряму підготовки 6.060103 «Гідротехніка» за спеціальністю «Гідромеліорація» - Херсон: ВЦ ХДАУ.-2010.-14 с.