Выбор и расчет фильтра

Фильтры, устанавливаемые в скважину, выполняют следующие функции:

Ø Предохраняют стенки водоносного пласта от разрушения;

Ø Не позволяют проникать мелким частицам внутрь водоподъемной колонны и тем самым предохраняют центробежные и погружные насосы от преждевременного износа;

Фильтры буровых скважин должны отвечать следующим требованиям:

ü При минимальных размерах обеспечить пропуск необходимого количества откачиваемой воды;

ü Иметь минимальные гидравлические сопротивления, максимально возможную скважность и площадь фильтрации;

ü Обладать необходимой механической прочностью;

ü Пропускать песок и мелкие фракции пород только в начальный период работы;

ü В скважинах, рассчитанных на длительную эксплуатацию, фильтры должны обладать устойчивостью против коррозии и зарастания, а так же обеспечивать использование механических, гидравлических, а в ряде случаев и химических методов восстановления проницаемости прифильтровых зон и фильтров;

ü В устойчивых горных породах, а также в бесфильтровых скважинах с устойчивой кровлей каркасы фильтров не устанавливают;

Водоносные пласты являются коллекторами, в которых аккумулируются подземные воды.

Различают коллекторы пористого и трещиноватого типов.

В зависимости от типа коллекторов используются различные типы фильтров (табл. 1).

Таблица 1

Рекомендуемые типы фильтров

В песках различного гранулометрического состава на трубчатых и стержневых каркасах применяются проволочные и сетчатые фильтры (рис. 1).

Рисунок 1. Фильтры с покрытием

а – из проволоки; б – из сетки (сетчатый фильтр): 1 – каркас; 2 – проволочная обмотка; 3 – сетка; 4 – опорное кольцо; 5 – резиновая манжета; 6 – нажимное кольцо; 7 – муфта; в – из просечного листа (фильтры ФКО)

В практике чаще всего применяются проволочные фильтры с диаметром проволоки от 3 до 5 мм.

В мелкозернистых и пылеватых песках используются сетчатые фильтры. Применяются сетки галунного и квадратного плетения. В качестве материала в сетках используется латунь, нержавеющая сталь, полиэтилен, пропилен, винипласт и др.

В эксплуатационных скважинах во избежание коррозии более эффективно применение сеток из нержавеющей стали и полимерных материалов.

Длину рабочей части фильтра в напорных водоносных пластах мощностью до 10 м следует принимать равной мощности пласта; в безнапорных – мощности пласта за вычетом эксплуатационного понижения уровня воды в скважине. Рабочую часть фильтра следует устанавливать от кровли и подошвы водоносного пласта, но не менее 0,5-1 м. Длину отстойника следует принимать не более 2 м. Надфильтровая часть не должна превышать 1,5-2 м. В этой части устанавливается сальник, который служит для предотвращения поступления частиц породы из пласта в эксплуатационную колонну.

Размеры проходных отверстий для сетчатых фильтров (без устройства гравийной обсыпки) следует принимать по табл.2.

Таблица 2

Размеры проходных отверстий фильтров, мм

Примечания: 1. d₁₀, d₅₀, d₆₀ – размеры частиц, содержание которых по массе составляет соответственно 10, 50 и 60%

2. Меньшие значения размеров проходных отверстий относятся к мелким пескам, большие – к крупным.

Скважность фильтра, - отношение площадей отверстий к общей площади поверхности фильтра, выраженное в процентах.

В трубчатых фильтрах с круглой или щелевой перфорацией скважность следует доводить до 20-25%.

В фильтрах с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки и штампованного стального листа скважность каркасов принимается из условия прочности до 30-60%.

В гравийных фильтрах в качестве обсыпки могут применяться песок, гравий, песчано-гравийные смеси. Подбор материалов для гравийных обсыпок производится по соотношению:

,

где: - размер частиц, меньше которых в обсыпке содержится 50%;

- размер частиц, меньше которых в породе водоносного пласта содержится 50%.

В гравийных фильтрах толщина слоя обсыпки принимается с учётом конструкции фильтров.

Для фильтров, собираемых на поверхности земли и опускаемых в скважину в готовом виде, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 30мм.

Для фильтров, создаваемых на забое скважин засыпкой гравия по межтрубному пространству, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 50 мм.

Наиболее надежные в эксплуатации фильтры с гравийной обсыпкой толщиной в 150-200 мм.

При устройстве двухслойных обсыпок подбор механического состава материала слоев производится по соотношению:

,

где: и - средние диаметры частиц материала соседних слоев обсыпки.

Первый слой обсыпки, прилегающий к каркасу фильтра, подбирается таким образом, чтобы размеры гравия были больше.

При устройстве гравийных фильтров за наружный диаметр скважины следует принимать диаметр внешнего контура обсыпки. По условиям ремонта скважин минимальный диаметр каркаса фильтра следует принимать не менее 80-100 мм.

Наружный размер фильтра должен обеспечить его свободный спуск внутрь обсадной колонны с зазором не менее 10 мм. Зазор между стенками скважины и фильтром должен быть не менее 30-50 мм.

Материал, используемый для фильтров в скважинах, следует подвергать антисептической обработке. Рабочую часть фильтра следует устанавливать против участков, обладающих наибольшей водопроницаемостью.

Интервалы, обладающие наибольшей водопроницаемостью, устанавливаются при помощи геофизических исследований.

Расчет фильтра.

Ориентировочный диаметр каркаса фильтра определяется по формуле:

, (1)

где: D_k – диаметр каркаса фильтра, мм;

Q – проектный дебит, м³/ч;

L – длина фильтра, м;

α – коэффициент, характеризующий свойства водоносного пласта, табл.3.

Наружный диаметр фильтра при использовании проволоки и сетки определяется по формуле:

, (2)

где: D – наружный диаметр фильтра;

D_k – наружный диаметр каркаса фильтра;

d_пр – диаметр проволоки для обмотки каркаса фильтра;

δ – толщина фильтровой сетки.

Наружный диаметр фильтра с гравийной обсыпкой при использовании проволоки равен:

D = D_k + 2d_пр + 2Δ, (3)

где: Δ – толщина гравийной обсыпки.

Таблица 3

Значения коэффициентов α для различных пород

Пример:

Требуется определить диаметр фильтровой трубы, если отбор воды осуществляется из сильнотрещиноватых известняков, мощностью 15 метров, проектный дебит 60 м³/ч. Пласт напорный.

Длину фильтра примем, равной 10 м, учитывая, что пласт является напорным.

Коэффициент α примем равным 30 по табл.3., по формуле (1), тогда диаметр фильтра равен:

D= = 180 мм.

Из табл. (4) принимаем ближайший размер трубы 194мм.

Таблица 4

Характеристики обсадных труб

Пример:

Определить размеры фильтра.

Водоносный горизонт представлен среднезернистыми песками. Мощность пласта 10 м. проектный дебит 20 м³/ч. Так как мощность водоносного пласта не превышает 10 м, то вскрываем последний на всю мощность, L=10 м. определяем диаметр каркаса фильтра по формуле (1)

D_к .

Расчетный диаметр получим, если выберем трубы каркаса 127 мм (табл.4), проволоку для обмотки каркаса 3 мм, сетку галунного плетения толщиной 1мм

D = 127 + 2 × 3 + 2 × 1 =135 мм.

Диаметр долота для бурения под фильтр, определяем из условия, что зазор между стенками скважины и фильтром должен быть не менее 30÷50 мм.

D_д = 135 + 40=175 мм.

Таблица 5

Наружные диаметры долот

(*Дальнейшее увеличение диаметра долота на практике чаще всего производится путем наваривания на долото стандартного размера расширяющих реборд или отдельных сегментов шарошечных долот.)

По табл. 5 определяем ближайший размер Dд =190 мм.

Если выбран гравийный фильтр, формируемый на забое, то его конструкция и диаметр выбираются, учитывая следующее. Пусть средний размер частиц водоносного песка 0,3 мм.

Тогда средний размер частиц гравия, используемого для обсыпки равен;

D_г = (8÷12)×d_п =10×0,3=3 мм.

Конструкция каркаса гравийного фильтра должна включать трубы и проволочную обмотку. Выбираем трубы Ø 127 мм (табл.4) и проволоку Ø 3мм. Минимальная толщина гравийной обсыпки 50 мм.

D=127+2×3+2×50=233 мм.

Из табл. 5 выбираем соответствующий диаметр долота D_д =245 мм.

Чтобы получить проектный дебит необходимо, зная диаметр, определить длину рабочей части фильтра

,

Принимаем длину рабочей части 5 м.

Каркасы фильтров выполняют из стальных обсадных бесшовных труб муфтового соединения нефтяного ряда (с.349, табл. VIII.1), геологоразведочного ряда, (с.355, табл. VIII.6), стальных насосно-компрессорных труб (с.357, табл. VIII.9), труб из нержавеющей стали (ГОСТ 9940-62), а также асбестоцементных, полиэтиленовых, полипропиленовых, поливинилхлоридных (ПВХ) (с.360-367), размеры которых приведены в работе (1).

Установка фильтров

Перед спуском фильтра в скважину, пробуренную роторным способом, необходимо поработать долотом, промыть раствором с пониженными вязкостью и плотностью или водой, провести контрольный замер ее глубины. В неустойчивых породах следует поддерживать избыточное давление на пласт столбом воды не менее 3,0-1,5 м выше статического уровня.

Фильтровая колонна собирается так, чтобы ее рабочая часть при установке находилась на расстоянии 0,5-1,0 м от кровли и подошвы пласта во избежание попадания размываемой породы в фильтр. При эксплуатации нескольких пластов рабочие части фильтра устанавливаются в каждом пласте и соединяются между собой трубами.

На длинных (более 10 м) фильтрах для центрирования монтируются через 4-6 м направляющие фонари, которые крепятся сваркой или хомутами на отстойнике, надфильтровой трубе и рабочей части фильтра.

Опускать фильтры можно на эксплуатационной колонне, выходящей к устью скважины, и впотай. При установке фильтра на эксплуатационной колонне обсадные трубы приподнимают, если они были опущены до забоя, для обнажения фильтра или совсем извлекают из скважины в зависимости от санитарно-гидрогеологических условий и требований проекта. При установке фильтра впотай на надфильтровой трубе должен быть сальник, предотвращающий вынос частиц породы через кольцевой зазор в скважину.

Наибольшее применение получили резиновые и пеньковые, реже деревянные, свинцовые и другие сальники.

Разжимной сальник (см. рис.1 б) изготовляется следующим образом. На надфильтровой трубе ниже резьбы приваривают опорное кольцо 4 (диаметр кольца меньше внутреннего диаметра обсадной трубы), надевается резиновая манжета (пеньковый сальник) 5, кольцо 6 и до половины резьбы навинчивается муфта 7 с вырезом для спускового крюка. При вращении муфты резиновая манжета расширяется и перекрывает межтрубное пространство.

Фильтр впотай спускают на бурильных трубах с помощью спускового ключа или на муфте с левой резьбой. В первом случае на верхнем конце надфильтровой трубы ставят замок в виде двух Г-образных вырезов, в которые заводится Т-образный ключ бурильной трубы.

Для снижения динамической глинизации проволочных, сетчатых и блочных фильтров их рекомендуется спускать с открытым отстойником. Это снижает фильтрацию раствора через водоприемную поверхность. Отстойник после установки фильтра перекрывается засыпкой гравия.

При вскрытии водоносных песков с применением в качестве промывочной жидкости воды фильтр не доходит до забоя вследствие обрушения стенок скважины. В этих случаях фильтр, имеющий внизу переходник с обратным клапаном и левую резьбу, опускается на бурильных трубах, по которым нагнетается вода буровым насосом, в результате чего производится гидравлический размыв пласта с одновременной посадкой фильтра.

Аналогично ведется установка фильтра при помощи эрлифта. Фильтр опускается на обсадных трубах, которые являются одновременно водоподъемными для эрлифта. При работе эрлифта в скважину через устье буровым насосом доливается вода.

Если в водоносном горизонте предполагаются пропластки глин, применяют способ посадки фильтров с использованием механических расширителей. Фильтр опускается на бурильных трубах, которые проходят внутри него и заканчиваются расширителем. Лопасти расширителя раскрываются под действием осевой нагрузки. Бурильная колонна соединена с фильтром с помощью такого устройства, которое позволяет ей вращаться без вращения фильтра. При подъеме бурильные трубы отсоединяются от фильтра. Затрубное пространство изолируется корзинчатым сальником.

Гравийные фильтры

Оборудуют в пластах, представленных песками от средне- до мелкозернистых и пылеватых.

Гравийные фильтры имеют высокую пескоудерживающую способность и длительный срок службы.

Гравийные фильтры состоят из обычного каркасно-проволочного или сетчатого фильтра, рабочая часть которого окружена слоем гравия или крупнозернистого песка.

По способу изготовления различают фильтры с гравийной засыпкой двух типов:

1) Собираемые на поверхности и в готовом виде опускаемые в скважину (опускные);

2) Создаваемые в скважине путем засыпки песка и гравия между каркасом и стенками скважины (засыпные).

Засыпные фильтры создают следующим образом (рис. 2). После доведения скважины до проектной глубины и установки башмака обсадных труб в водоупорной породе на забой опускается каркасный, каркасно-проволочный или сетчатый фильтр, наружный диаметр которого как минимум на 100 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб. В кольцевое пространство между фильтром и обсадными трубами через трубу диаметром 40-50 мм засыпают мелкими порциями отсортированные гравий и песок. По мере засыпки постепенно поднимают обсадную (эксплуатационную) колонну. Засыпать гравий следует на 5-10 м выше башмака колонны обсадных труб, приподнятой над водоносными породами и обнажившей рабочую часть фильтра, см. рис. 2б.

Превышение слоя гравия над башмаком обсадной колонны объясняется тем, что в процессе эксплуатации фильтра уровень засыпки понижается за счет выноса песка и гравия.

Рисунок 2. Схема установки в скважине засыпного фильтра

а – в начале засыпки гравия в межтрубное пространство:

1 – трубы; 2 – муфта; 3 – рабочая часть; 4 – обсадные трубы; б – после окончания засыпки

ЗАО «РУСБУРМАШ», [23], с.15-29, разработана и апробирована в производственных условиях новая прогрессивная технология сооружения скважин малых диаметров, позволяющая производить закачку гравия в интервал формирования обсыпки и цементирования затрубного пространства через специальных узел и инструмент внутри обсадной колонны.