Конструкция водозаборной скважины при роторном бурении

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЯ ВОДОЗАБОРНОЙ СКВАЖИНЫ ПРИ РОТОРНОМ БУРЕНИИ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Ивашечкин Владимир Васильевич Кондратович Александр Николаевич Герасименок Иосиф Антонович Крук Николай Иванович Рытько Иван Викторович(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(56) Беляков В.М. и др. Учебная книга мастера по бурению скважин на воду. М. Колос, 1976. - С. 284-286.1585556 1, 1990.2097496 1, 1997.02/12637 1.(57) Конструкция водозаборной скважины при роторном бурении, содержащая кондуктор с башмаком и затрубной цементацией, эксплуатационную колонну, состоящую из труб с муфтовыми соединениями, фильтра с рабочей частью, обсыпанной гравием, и отстойником, отличающаяся тем, что башмак кондуктора установлен в кровле эксплуатационного водоносного горизонта, низ отстойника изнутри снабжен резьбовой муфтой с левой резьбой, в полости между эксплуатационной колонной и кондуктором смонтированы нагнетательные трубы с вентилями на входе и с перфорацией в нижней части в зоне гравийной обсыпки, причем кондуктор и эксплуатационная колонна имеют антикоррозионное покрытие и герметичное фланцевое соединение на устье скважины. 9453 1 2007.06.30 Известна водозаборная скважина, пробуренная роторным способом с обратной промывкой, содержащая кондуктор, эксплуатационную колонну труб, фильтр, установленный впотай на сальнике с гравийной обсыпкой 1. К недостаткам конструкции скважины следует отнести узкую область применения,ограниченную малыми глубинами залегания эксплуатационных водоносных горизонтов с относительно высокой водопроницаемостью. Из-за неизбежных кольматационных процессов увеличивается гидравлическое сопротивление гравийной обсыпки и фильтра, возрастает понижение уровня в скважине при работе водоприемника. Это приводит к росту перепада давления на сальнике, что может нарушить его герметичность и привести к пескованию скважины. Выход сальника из строя возможен также в результате депрессии на пласт, возникающей при пуске водоподъемника, который резко понижает уровень воды в стволе скважины, в результате чего на сальник и гравийную обсыпку действует подъемная сила, направленная вверх. Величина подъемной силы пропорциональна производительности насоса и сопротивлению фильтра и гравийной обсыпки. При критических значениях подъемной силы также происходит разгерметизация сальника и пескование скважины. Известна водозаборная скважина при роторном бурении, содержащая кондуктор с башмаком и затрубной цементацией, эксплуатационную колонну, состоящую из труб с муфтовыми соединениями, фильтра с рабочей частью, обсыпанной гравием, и отстойником 2. Цементация затрубного пространства эксплуатационной колонны для изоляции вышележащих водоносных горизонтов осуществляется в данной конструкции скважины с помощью специальной манжеты. К недостаткам конструкции следует отнести сложность осуществления манжетной цементации эксплуатационной колонны, а также невозможность замены фильтра при выходе его из строя. Задачей, решаемой изобретением, является расширение области применения конструкции скважины с возможностью замены фильтра при недопустимой степени его кольматации или при выходе его из строя. Поставленная задача решается тем, что в водозаборной скважине при роторном бурении, содержащей кондуктор с башмаком и затрубной цементацией, эксплуатационную колонну, состоящую из труб с муфтовыми соединениями, фильтра с рабочей частью,обсыпанной гравием, и отстойником, башмак кондуктора установлен в кровле эксплуатационного водоносного горизонта, низ отстойника изнутри снабжен резьбовой муфтой с левой резьбой, в полости между эксплуатационной колонной и кондуктором смонтированы нагнетательные трубы с вентилями на входе и перфорацией в нижней части в зоне гравийной обсыпки, причем кондуктор и эксплуатационная колонна имеют антикоррозионное покрытие и герметичное фланцевое соединение на устье скважины. Конструкция предлагаемой скважины представлена на рисунке. Скважина состоит из кондуктора 1 с фланцем 2 и затрубной цементацией 3, эксплуатационной колонны 4 с фланцем 5 и муфтовыми соединениями 6, внутренней фильтровой колонны 7 с отстойником 8 и резьбовой муфтой 9, нагнетательной трубы 10 с перфорацией 11 и вентилем 12 на входе. Скважина может быть сооружена роторным бурением следующим образом. Вначале отрывают отстойник для промывочной жидкости, объем которого в 1,5-2,0 раза больше объема скважины, затем сооружается траншея между отстойником и местом бурения. Если у поверхности залегают глины или суглинки (устойчивые породы), скважину забуривают долотом с прямой промывкой водой или рейсовым шнеком. При залегании на поверхности водонасыщенных песков, забуривание производится долотом с промывкой глинистым раствором, если пески сухие, бурение производится шнеком. В разбуренный 2 9453 1 2007.06.30 ствол глубиной 7-8 м и диаметром 600-1200 мм устанавливают направляющую колонну с вырезом под траншею для подачи жидкости из отстойника в скважину с целью предотвращения обрушения стенок при бурении скважины. Направляющая колонна после цементирования кондуктора 1 извлекается (штриховые линии на чертеже). Затем производится бурение ствола под кондуктор 1 до кровли водоносного горизонта породоразрушающим инструментом необходимого диаметра и его установка с выполнением затрубной цементации 3 на всю высоту до устья скважины. Кондуктор 1 снабжают фланцем 5 с отверстиями под болтовое соединение. Вскрытие водоносного горизонта может производиться либо с использованием долота, диаметр которого соответствует внутреннему диаметру кондуктора, либо с использованием расширителя, который может расширить ствол до 900-1000 мм. После расширения забоя до нужной величины из скважины извлекают породоразрушающий инструмент. Гидростатический напор в стволе, препятствующий обрушению стенок, непрерывно поддерживается доливом воды в отстойник для промывочной жидкости. В открытый ствол вначале опускается эксплуатационная колонна 4 с фильтром 7 и отстойником 8. Эксплуатационную колонну 7 собирают из труб на муфтовых соединениях 6 и центрируют с помощью специальных фонарей (на рис. не показаны). Затем фильтр обсыпают гравием. После спуска эксплуатируемой колонны с фильтром и отстойником по обе стороны от нее опускаются две нагнетательные трубы 10 с перфорацией 11 и вентилями 12 на входе. Засыпку производят до тех пор, пока смесь не поднимается на 5-6 м выше башмака кондуктора. После этого в фильтр опускают эрлифт и начинают строительную откачку. По мере выноса мелких частиц и усадки производится дополнительная подсыпка гравия вокруг фильтра. Оставшееся пространство над гравием оставляют незаполненным. После окончания откачки на эксплуатационную колонну наваривают фланец 5 и герметизируют отводы нагнетательных труб 10 в стенке кондуктора 1, вентили 12 выводят наружу. Между фланцами 2 и 5 устанавливают резиновую прокладку и затягивают болты. Таким образом пространство между эксплуатационной колонной 4 и кондуктором 1 герметизируется от попадания внешних загрязнений. По мере эксплуатации скважины в порах гравийной обсыпки и в отверстиях фильтра происходит накопление отложений - продуктов химического и биологического кольматажа. Снижается проницаемость прифильтровой зоны, уменьшается производительность скважины, возрастает себестоимость добываемой воды. Предлагаемая конструкция скважины позволяет своевременно проводить профилактические мероприятия по регенерации фильтра и прифильтровой зоны от кольматирующих отложений. Для удаления химической кольматации в нагнетательные трубы 10 может подаваться реагент, растворяющий кольматирующие отложения внутри контура гравийной обсыпки. Симметричное расположение нагнетательных труб 10 позволяет осуществлять циркуляцию реагента в затрубном пространстве и откачивать растворенный кольматант из внутренней полости фильтра, например, эрлифтом. Для подавления железа и сульфатобактерий, продукты жизнедеятельности которых также накапливаются в порах обсыпки, в нагнетательные трубы 10 можно закачивать раствор гипохлорида натрия и также производить циркуляцию. Однако, несмотря на осуществление периодической регенерации, удалить полностью кольматирующие отложения не удается, тем более что импульсные и реагентные обработки допускается производить в скважине ограниченное число раз из-за ослабления прочности конструктивных элементов фильтра. Когда дальнейшая эксплуатация фильтра и гравийной обсыпки становится нецелесообразной, производится извлечение эксплуатационной колонны 4 с фильтровой колонной 7 и отстойником 8. 9453 1 2007.06.30 Для облегчения извлечения колонны в полости фильтра производятся импульсы гидродинамического давления, нарушающие сплошность слоев закольматированного гравия,непосредственно прилегающих к наружной водопроницаемой поверхности. Импульсы можно генерировать с помощью электрогидравлического удара, выхлопа сжатого воздуха,подводного газового взрыва водорода. Затем через трубы 10 в гравийную обсыпку нагнетают реагент, который размягчает оставшиеся неразрушенными цементационные связи на контакте между гравием и водоприемной поверхностью фильтра. После этого продукты регенерации откачивают эрлифтом и приступают к извлечению эксплуатационной колонны с фильтром. Снимают болты с фланцев 2 и 5. В ствол скважины опускают колонну буровых штанг,заводят ее в отстойник, где в нижней части закреплена резьбовая муфта 9 с левой резьбой,и с ее помощью соединяют нижнюю буровую штангу с отстойником. Одновременно закрепляют грузоподъемные домкраты за фланец 5. Извлечение можно производить с помощью бурового станка типа УКС, приспособленного для извлечения промежуточных колонн при бурении ударно-канатным методом. Создавая тяговое усилие на буровых штангах и домкратах, извлекают последовательно трубы эксплуатационной колонны, развинчивают их, а затем и фильтровую колонну 7 с отстойником 8. После этого извлекаются нагнетательные трубы 10. Затем в кондуктор 1 опускают породоразрушающий инструмент с расширителем и, поддерживая в стволе скважины избыточное гидростатическое давление путем долива воды из системы водоснабжения, разбуривают и удаляют старую загрязненную кольматантом гравийную обсыпку. Произведя замену старой фильтровой колонны 7 на новую, опускают ее на бывших в употреблении эксплуатационных трубах до забоя. После этого по обе стороны эксплуатационной колонны опускают новые нагнетательные трубы 10, и обсыпают новым промытым и продезинфицированным гравием. Прокачка скважины и герметизация межтрубного пространства производится аналогично, как при вводе новой скважины. Предлагаемая конструкция скважины обеспечивает проведение качественных текущих ремонтов в течение всего периода эксплуатации. Так, использование нагнетательных труб 10, помещенных в гравийную обсыпку прифильтровой зоны, позволяет производить циркуляцию реагента по всей прифильтровой зоне. Использование неизвлекаемого кондуктора 1 большого диаметра (630-1200 мм), доведенного до кровли водоносного горизонта, позволяет размещать в нем эксплуатационную колонну диаметром 325 мм, рассчитанную на установку водоподъемников любых выпускаемых типоразмеров. В то же время такой кондуктор с затрубной цементацией обеспечивает надежную изоляцию водоносного горизонта от вышележащих водоносных комплексов,которые могут быть в санитарном отношении неблагоприятны. Применение эксплуатационной колонны с жестко закрепленным на ней фильтром и дополнительной муфтой 9 позволяет с высокой степенью вероятности извлечь обсадные трубы с фильтром, в случае необходимости его замены на новый, удалить старую закольматированную обсыпку и также заменить ее на новую. Здесь положительно решается вопрос повторного использования дорогостоящих обсадных труб. Случай обрыва обсадных труб и фильтра исключен,так как, во-первых, эксплуатационная колонна находится на контакте с породой только в нижней части, во-вторых, силы сцепления породы с фильтром перед извлечением снижаются производством гидродинамических импульсов в фильтре и вводом реагентов, втретьих, при подъеме колонны с фильтром на штангах, закрепленных в отстойнике, колонна работает на сжатие, что сводит вероятность обрыва колонны к нулю. Предлагаемая конструкция скважины может найти применение при добыче подземных вод из межморенных четвертичных водоносных комплексов, широко распространенных на территории РБ. Так, только в г. Минске на балансе УП Минскводоканал находится 495 водозаборных скважин, пробуренных на Днепровско-Сожский водоносный комплекс. В подошве и кровле залегают моренные образования соответственно днепровского и со 4 9453 1 2007.06.30 жского оледенений. Глубины скважин не превышают 90 м. Средний срок эксплуатации скважин с высокими удельными дебитами 8-12 лет. За пределами этого срока эксплуатации скважина неэкономична, так как снижается удельный дебит, возрастает себестоимость добываемой воды и применяемые меры по регенерации фильтров скважины становятся неэффективными. Последний фактор объясняется цементацией кольматирующих отложений и трудностью их извлечения из прифильтровой зоны. Возникает альтернатива или эксплуатировать скважину с высокими удельными затратами, или перебурить ее. Стоимость бурения 1 м.п. скважины составляет порядка 150 долларов США. В суммарном долларовом эквиваленте перебуривание скважины глубиной 90 м со строительством насосной станции и тампонажом старой скважины составляет порядка 25 000 долларов. Если реализовать на практике предлагаемую конструкцию, можно сэкономить порядка 20 000 долларов (5/6 суммы) на одной скважине. Источники информации 1. Тугай Водоснабжение из подземных источников / Тугай, И.Т.Прокопчук. Справочник. - Киев Урожай, 1990.264 с. - С. 32-35. 2. Беляков В.М. Учебная книга мастера по бурению скважин на воду / В.М.Беляков,В.А.Попков, Г.М.Краснощеков. - М. Колос, 1976. - С. 284-286, рис. 133, е. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5