ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ФИЛЬТРАМ БУРОВЫХ СКВАЖИН

Производительность скважин, их устойчивая работа во многом зависят от устройства водоприемной части. В водоносных породах, представленных неустойчивым ; скальными и полускальными породами, а также в рыхлых породах — гравелистых, галечниковых, песчаных грунтах и песках — водоприемную часть, как правило, оборудуют фильтрами.
Фильтры должны отвечать следующим основным требованиям:
обеспечивать свободный доступ воды в скважину, но при этом надежно защищать ее от пескования и обрушений водовмещающих пород;
материал фильтров должен быть устойчив против коррозии, допускать обработку скважин кислотами, а в скважинах питьевого водоснабжения не ухудшать качества воды, быть достаточно прочным, чтобы воспринимать горное давление, давление фильтрационного потока и противостоять абразивному истиранию частицами породы;
конструкция фильтра должна быть технологична в изготовлении при наименьшем расходе дефицитных материалов и применима в возможно широком диапазоне гидрогеологических условий; при всем этом она должна иметь хорошие технико-экономические показатели.
В историческом развитии стремление удовлетворить перечисленные выше требования привело к созданию разнообразных конструкций фильтров.
 

В. М. Гаврилко (1968) классифицирует фильтры по конструктивному признаку на пять групп: щелевые и дырчатые из труб, из листовых материалов и стержней, из антикоррозионных материалов, сетчатые, гравийные и гравитационные.
Существуют также классификации отдельных конструкций фильтров, например гравийных, блочных, сетчатых, антикоррозионных, классификации с позиций их гидравлических сопротивлений.
В. С. Оводовым (1960) дана классификация фильтров по принципу их работы в контакте с грунтом или гравийной засыпкой. Развивая подобный подход, Н. А. Карам-бировым была предложена классификация фильтре дополненная автором.
В фильтрах с частицезадерживающими отверстиями выносу в скважину частиц водовмещающих пород препятствуют достаточно малые отверстия (или поры) фильтра. Частицы пород, накладываясь на щели или дыры, значительно сужают их живое сечение. Это приводит к увеличению гидравлических сопротивлений и спо собствует ускорению химической закупорки. В гравийных фильтрах эти явления проявляются в значительно меньшей степени.

Гравитационные фильтры имеют широкие водоприемные отверстия, в которых грунт удерживается от выноса под действием силы тяжести. К ним относятся колокольные, чашечные, тарельчатые, зонтичные, донные и др. (Абрамов, 1949; Карамбиров, 1948, 1952). В отверстиях гравитационных фильтров грунт имеет свободную поверхность, не стесненную дырчатыми стенками или сетками.

Основные причины выхода скважин из строя. Выход скважин из строя вызван пескованием фильтров, разрушением их вследствие коррозии, зарастания и кольмата-ции водоприемной поверхности продуктами коррозии и гидрохимическими отложениями. Эти процессы часто проявляются одновременно.

Пескование скважин, сопровождающееся длительным выносом через фильтр водоносной породы, происходит из-за неправильного подбора или разрушения водоприемной поверхности. В результате внутренняя полость скважины заносится песком, дебит ее снижается. Пескование ведет к быстрому износу насосов. Возникающие при интенсивном и длительном песковании смещения водоносных пластов и кровли приводят к образованию провальных воронок около устья и разрушению обсадных колонн. Пескование усиливается при пульсации давления, гидравлических ударах, чрезмерном понижении динамического уровня, вибрации и т. п. В то же время пескование скважин в период строительных откачек до полного осветления воды или при разглинизации необходимо, так как оно способствует образованию вокруг фильтра зоны с повышенной проницаемостью.

Коррозия фильтров, вызываемая сложными электрохимическими, физическими и микробиологическими процессами, сопровождается разрушением конструкции, а также отложением на поверхности и внутри фильтров продуктов коррозии.

При обычных для подземных вод значениях pH 6—9 протекает кислородная коррозия, электрохимическая природа которой связана с кислородной деполяризацией катодных участков гальванических коррозионных пар на поверхности металлических фильтров (Акимов, 1945).

Коррозионные пары образуются вследствие неоднородной поверхности металла, при разнородных металлах
(стальная труба и латунная сетка или медная проволока и т. п.). Коррозии могут способствовать химический состав подземных вод, условия эксплуатации скважины и пр. С повышением содержания кислорода скорость коррозии увеличивается. Интенсивная коррозия металла наблюдается, как правило, на участках с большим притоком кислорода.

В щелочной среде (pH 10—14) коррозия протекает медленнее, так как на металле образуется прочная защитная пленка окислов. Воды с высокой карбонатной жесткостью склонны к образованию сплошного накипного осадка карбоната кальция и магния. Осадок можег уменьшить среднюю скорость коррозии, но при этом возрастает опасность закупорки водоприемных отверстий. Неравномерность обрастаний и наличие свободных участков образуют на фильтре зоны с различными потенциалами, в результате появляются глубокие местные разрушения. При уменьшении pH пленка окислов обладает слабым защитным свойством, а коррозия поверхности металла протекает более равномерно.
В кислой среде (рН<;3—4) коррозия проходит весьма интенсивно. С повышением температуры скорость коррозии возрастает. Повышение солесодержания приводит к увеличению электропроводности воды и интенсификации коррозии металла. Коррозионная активность минерализованных подземных вод объясняется наличием значительного количества ионов хлора и сульфата. Мягкие воды с незначительной карбонатной жесткостью, содержащие кислород свыше 4 мг/л, разрушают металл более интенсивно, чем жесткие воды при содержании кислорода до 9 мг/л. При содержании в воде сероводорода и железа образуется тонкодисперсная взвесь сульфида железа (Клячко, Апельцин, 1971). При этом ускоряются коррозия и закупорка. Наличие свободной углекислоты препятствует образованию на металле прочных защитных пленок; образуется растворимый бикарбонат закиси железа Fe (НСОзЬ-

При pH>7 и содержании в воде кислорода происходит окисление закисного железа, гидролиз и окисление бикарбоната двухвалентного железа в трехвалентное. В результате образуется коллоидная гидроокись железа Fe(OH)3 и свободная углекислота. Гидроокись железа выпадает в виде коллоида, а затем коагулируется в бурые нерастворимые хлопья.

 КОНСТРУКЦИИ ПЛАСТМАССОВЫХ ФИЛЬТРОВ

В настоящее время накоплен значительный опыт применения пластмасс как конструкционного материала для изготовления фильтров, который показывает, что для той или иной конструкции фильтров прямая замена только материала не является достаточно эффективной.
Фильтры из перфорированных пластмассовых труб.
Наиболее простым и доступным для буровых организаций способом применения полимеров для оборудования водоприемной части скважин является использование перфорированных пластмассовых труб. Трубы могут быть изготовлены из полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена, стеклопластика, древесноволокнистых пластмасс и из других термопластичных и термореактивных материалов. Перфорированные дырчатые и щелевые каркасы делают из труб сверлением, фрезерованием или прокалыванием в них водоприемных отверстий. Трубы получают на заводах чаще всего методом непрерывной шнековой экструзии.

В Украинской ССР разработаны дырчатые каркасы, устанавливаемые в скважины как самостоятельные фильтры, как фильтры с гравийной обсыпкой, а также как каркасы кожуховых, сетчатых и проволочных фильтров (рис. 18) (Лерман, Володько, 1968). Перфорацию выполняли на радиальных сверлильных или фрезерных станках, а также термопрокалыванием. Сетчатые и проволочные фильтры на полиэтиленовых каркасах изготовляли впайкой концов сетки и проволоки в тело трубы. Работу скважины с пластмассовыми фильтрами оценивали положительно. После извлечения фильтров разрушений


поверхности не обнаружили. Стенки труб были чистыми, без следов коррозии, наблюдалось заклинивание щелевых водоприемных отверстий зернами породы.
В Тамбовском управлении треста «Россельхозвод-строй» применяли полиэтиленовые трубы для изготовления перфорированных дырчатых каркасов (Забурдаев, 1965). Перфорацию труб проводили на специальном станке. В 1965 г. в Уваровском районе была пробурена скважина на глубину 40 м в мелкозернистых песках. Скважина оборудована гравийным фильтром с пластмассовым перфорированным каркасом. При сдаче скважины в эксплуатацию дебит составил 26 м3/ч, который в дальнейшем почти не изменился. Характерно, что в предыдущие годы в этом районе приходилось ежегодно менять металлические фильтры вследствие их коррозии.
В 1965 г. внедрение пластмассовых трубчатых фильтров было начато трестом «Промбурвод». Фильтры изготавливали из полиэтиленовых труб, перфорированных круглыми и щелевыми отверстиями. По данным МГМИ*, несущая способность щелевых полиэтиленовых фильтров при осевом вертикальном сжатии ограничивается потерей устойчивости сплошных перегородок между щелями. Значение критической нагрузки для образца а равнялось 7,56 т, для б — 1,78 и для в — 1,325 т.

Значение критического давления, полученного при всестороннем радиальном сжатии, для образца а составляло 0,256 МПа, для б — 0,064, для в — 0,064 и для образца г — 0,064 МПа.

Образец сплошной трубы (без отверстий) терял несущую способность при РкР = 0,64 МПа. Таким образом, несущая способность труб, перфорированных круглыми дырами, меньше, чем сплошных, а дырчатых фильтров выше, чем щелевых. Несущая способность щелевых фильтров при радиальном сжатии незначительна (0,064 МПа). Следовательно, при больших глубинах скважин, особенно в несвязных водоносных породах, возникает опасность их разрушения. При перфорации труб наблюдается перерасход пластмассы, щели после фрезерования требуют дополнительной обработки и зачистки.

Ослабление сечения перфорированной пластмассовой трубы происходит вследствие концентрации напряжений вокруг отверстий. Прочность щелевых фильтров из полиэтиленовых труб, имеющих скважность 20%, уменьшается почти в 10 раз по сравнению с несущей способностью аналогичных сплошных труб. Перфорацию труб осуществляют термопрокалыванием или непосредственно при их изготовлении в экструдере.

Более прочны фильтры из поливинилхлоридных (ПВХ) труб. В 1945—1946 гг., по данным ВНИИВОДГЕО, такие фильтры применяли на скважинах Вильнюсского водопровода, а затем в Белоруссии, Литве и Горьковской области (Гаврилко, 1968). Наряду с положительной их работой отмечалось снижение дебита из-за большого содержания в подземных водах железа, недостаточной скважности фильтров (8—10%) и механического заклинивания щелей частицами песка. После двухлетней эксплуатации на извлеченном фильтре следов разрушения не было.

В 1958 г. щелевыми фильтрами из ПВХ был оборудован вертикальный дренаж Волгоградского и Цимлянского гидроузлов (Бондаренко, 1964). На Волжской ГЭС

им. В. И. Ленина в грунтовых водах повышенной минерализации было построено 56 скважин глубиной до 60 м, оборудованных фильтрами из ПВХ. Длина фильтров 8-10 м, диаметр 165 мм, ширина щелей 8 мм. Гравийная засыпка с диаметром зерен 8—20 мм имела толщину слоя 50 мм. В течение всего периода эксплуатации дренажа работа фильтров была устойчивой.
Выполненные автором статические испытания показали, что несущая способность фильтров из ПВХ выше, чем из полиэтилена. К недостаткам относится понижение прочности и химической стойкости материала при повышенных температурах. При отрицательной температуре материал становится хрупким. Имеются ограничения в применении ПВХ в хозяйственно-питьевом водоснабжении.
Более прочны фильтры, изготовленные из стеклопластиковых труб. Применение таких фильтров было предложено ВНИИВОДГЕО. Перфорация водоприемных отверстий вызывала разрыв стекловолокна, что вело к снижению прочности фильтров (Гаврилко, Алексеев, 1968).
На уменьшение несущей способности фильтров в результате надреза волокон указывают и английские инженеры (Bristol, 1965). По их предложению, нити стекловолокна (при армировании труб) наматывали под различным углом к образующей. Щели нарезали по спирали с таким расчетом, чтобы их направление совпадало с волокнами основных усиленных слоев. Подобное размещение перфорации в 2,5 раза увеличивало прочность фильтров по сравнению с трубами с продольными щелями. Недостаток их заключался в относительно высокой стоимости стеклопластиковых труб.