Бурение скважин на воду | Технология | Оборудование | Цены | Фото и видео | Техническая литература
    
   




 

Техническая литература:

Колодцы

Схема гидрогеологических областей и районов СССР

Словарь по гидрогеологии А-Г

Словарь по гидрогеологии Д-О

Словарь по гидрогеологии П-Я



Справочник по бурению скважин на воду

Станок для бурения БУР-50:
Бурение скважин

 

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА КОНТАКТЕ ФИЛЬТРОВ С ВОДОНОСНЫМИ ПОРОДАМИ

Оглавление книги - Бурение скважин на воду

Глава IV
ПЛАСТМАССОВЫЕ ФИЛЬТРЫ БУРОВЫХ СКВАЖИН

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА КОНТАКТЕ ФИЛЬТРОВ С ВОДОНОСНЫМИ ПОРОДАМИ

Дополнительные потери напора при притоке возникают непосредственно около скважины, увеличиваясь по мере стеснения живого сечения фильтрационного потока. При этом они иногда составляют до 60% и более от общего понижения. Дополнительное сопротивление скважины обусловлено ее несовершенством по степени и характеру вскрытия водоносного пласта (Бочевер и др., 1969).
Для определения дополнительного сопротивления скважины, связанного с несовершенством по степени вскрытия пласта в условиях установившегося и неустановившегося движения, имеются аналитические решения М. Маскета, А Л. Хейна, Н. Н. Веригина и других авторов.
Определение дополнительного сопротивления, связанного с несовершенством скважины по характеру вскрытия, из-за малой изученности встречает некоторые трудности. Наиболее надежно дополнительное сопротивление можно найти лишь по результатам откачек. Ф. М. Бочевером и В. С. Алексеевым предложен графоаналитический способ определения дополнительного сопротивления скважин (Бочевер, Алексеев, 1965).
Гидравлическое сопротивление фильтров в значительной степени влияет на производительность скважин. А. А. Сурин в 1926 г., анализируя зарубежный опыт по применению в водозаборных скважинах фильтров из оцинкованной проволоки и саржи, писал, что ткань не допускала проникновения даже мелких частиц грунта внутрь колодца, но вызывала слишком большое сопротивление проходу воды в колодец, и горизонт воды опускался в нем значительно ниже горизонта окружающего грунтового потока; фильтры закупоривались и доступ воды в колодец прекращался (Сурин, 1926).
В. Кирилейс за сопротивление фильтра принимал разность уровней у внешнего диаметра гравийной засыпки и в скважине. В скважинах с различными фильтрами он обнаружил, что значение этого перепада менялось от 2,8 до 5 м и более.
По данным И. П. Кусакина, с увеличением скорости входа воды в фильтр сопротивление настолько возрастает, что становится практически недопустимым.
В. С. Оводов при изучении гидравлических сопротивлений сетчатых фильтров установил, что с уменьшением коэффициента фильтрации песка сопротивление (АЛ см) фильтров значительно возрастает. Для фильтра с одним и тем же номером сетки сопротивление больше в мелком песке, чем в крупном. При условии непросыпаемости для одного и того же песка с увеличением номера сетки (размера отверстий) сопротивление фильтра уменьшается (Оводов, 1960).
(И) Потери напора сетчатого иглофильтра находят следующим образом: где А/ггр — потери напора в кольцевом зазоре грунта; Лф — потери напора на стенке сетчатого фильтра; К — коэффициент фильтрации грунта (/(=10—100 м/сут); Е —суммарная величина коэффициента потерь напора, определяемая опытным путем; VI — скорость входа воды в фильтр Здесь Р— площадь фильтра; (2 — дебит (Григорьев, 1955). Условность зависимости (11) заключается в предпосылке о существовании линейной связи между скоростью и величиной потерь
а также в весьма приближенном определении коэффициента потерь напора.
Г. Г. Поляков (1958, 1959, 1969) при исследовании сопротивления перфорированных каркасов, контактирующих с грунтами, установил, что потери напора на фильтре были от 0,125 до 7,63 м. Неясно, какая часть этих потерь шла на сопротивление грунта, а какая яа сопротивление фильтра. Гравийная засыпка существенно улучшает водозахватную способность скважин. По данным С. К. Абрамова (1962), расход оставался неизменным при увеличении скважности дрены, помещенной в гравийный слой. На контакте фильтра с породой гидравлическое сопротивление было весьма существенным.
По данным Н. Т. Эфендиева, закладка дренажных труб различной скважности в гравийную обсыпку устраняет гидравлическую разницу между трубами с водоприемными отверстиями и идеальными дренами. К подобному выводу пришел и А. И. Мурашко при исследовании сопротивления водоприемной поверхности пластмассовых дренажей.
Г. В. Донской занимался изучением изменения суммарного дополнительного сопротивления перфорации дрен и гравия. Получены значения коэффициентов расхода и предложена формула, позволяющая оценивать вероятное отклонение коэффициента расхода от средней величины в зависимости от числа отверстий. Опыты проводили на прямоугольных призматических лотках с плоской фильтрационной поверхностью. В. М. Беляков (1959) выполнял оценку сопротивления гравийных фильтров решением системы двух уравнений: двучленной формулы Прони и обобщенной формулы Д. М. Минца для зернистых материалов. Влияние перфорированных каркасов учитывалось вместе с сопротивлением гравийного слоя.
В. С. Алексеев (1967) установил, что для сетчатых фильтров с одним и тем же номером сетки с увеличением коэффициента фильтрации грунта дополнительное, связанное с несовершенством по характеру вскрытия сопротивление повышается. При постоянной проницаемости грунта с увеличением размера ячейки сетки это сопротивление уменьшается.
По данным Э. А. Грикевича, наличие сетки не меняет общей формулы для определения расхода жидкости через отверстие. Влияние сетки отражается лишь на значении коэффициента расхода. При выводе формулы для определения коэффициента расхода фильтров влияние вязкости жидкости не учитывали.
Подобный вывод находим также в работе американских исследователей (Petersen, Pohwer, Albertson, 1953).
Исследованием гидравлических сопротивлений щелевых пластмассовых дренажей фильтров водоочистки занимался Г. И. Николадзе (1966). Он установил, что заклинивание щелей зернами породы повышает сопротивление фильтров, но с увеличением крупности зерен влияние наложения снижается. * При одном и том же гравии с увеличением ширины щели сопротивление фильтров уменьшается. С повышением скорости фильтрации степень заклинивания щелей зернами, которые по размеру меньше, равны или незначительно превышают ширину щели, проявляется в большей степени, чем зернами, которые больше ширины щели. Меняется и интенсивность роста потерь напора.

D. Klotz (1970) исследовал фильтры скважин в условиях линейного режима фильтрации и с одним и тем же грунтом. В результате получены сравнительные данные по проницаемости (К, см/с) различных конструкций фильтров. Минимальные сопротивления (К= =38,6 см/с) имели фильтры фирмы «Е. Джонсон» (США) со скважностью 46,5. Общие закономерности изменения гидравлических сопротивлений в широком диапазоне скоростей и напоров не рассматривали.
Таким образом, в фильтрах с частицезадерживающими отверстиями вследствие уменьшения размеров водоприемной площади при втекании воды в скважину наблюдаются значительные потери напора.
В гравитационных фильтрах, расчет которых предложен Н. А. Карамбировым (1948, 1952), входные сопротивление сведены до минимума за счет уменьшения скорости входа воды в фильтр. Вода поступает в фильтр непосредственно из пор грунта, частицы которого удерживаются от выноса главным образом под действием силы тяжести.

В безнапорных водоносных пластах разрыв уровней у наружной и внутренней стенок колодца еще более значителен.
По данным Г. Н. Каменского (1943), образование участка выхода воды в скважину объясняется не только сопротивлением фильтра, но и искривлением эквипотенциалей возле скважины. Для того чтобы вода, находящаяся на участке породы, ограниченном искривленной линией равного напора и стенкой скважины, находилась в движении, необходим некоторый напор, развиваемый за счет разрыва уровней. С. К. Абрамов (1954) установил, что на разрыв уровней в скважине и за ее наружными стенками влияют сопротивления породы, примыкающей к стенкам скважины и фильтра:

где A/i — величина разрыва; Q — дебит скважины; 5 — понижение уровня воды в скважине; К— коэффициент фильтрации пласта; F — рабочая площадь фильтра. В зависимости от конструкции а=20 для сетчатых и гравийных фильтров и а=7 для дырчатых, щелевых и проволочных. Для определения потерь напора на фильтре С. К. Абрамовым, Н. Н. Биндеманом и М. П. Семеновым (1947) предложена формула: где 5 — понижение;
Н — напор до откачки;
п — показатель для дырчатых, сетчатых и гравийных фильтров, равный 2,2.
Потери напора Ah, замеренные в скважинах Кулундинской степи, оказались почти в 3 раза больше, чем определенные по формуле (13) (Полубаринова-Кочина, Пряжинская, Эмих, 1969).
Для величины разрыва имеются аналитические решения И. А. Чарного, В. М. Шестакова и других авторов, свидетельствующие о необходимости при расчетах учитывать сопротивление фильтра.
Таким образом, гидравлическое сопротивление фильтров складывается из сопротивлений грунта и конструкции фильтра, работающего в контакте с этим грунтом. Непосредственный контакт зерен породы с водоприемными отверстиями приводит их к закупорке, возрастанию гидравлических сопротивлений. В гравитационных фильтрах, где грунт, как сыпучее тело, удерживается в отверстиях силой собственной массы, сопротивления на контакте сведены до минимума.
Основные положения. Гидродинамическое сопротивление фильтра, контактирующего с породой, можно выразить в виде функциональной связи в зависимости от скорости фильтрации, конструктивных особенностей фильтра (диаметр, длина, скважность, размеры и форма водоприемных отверстий), формы, размеров и укладки зерен контактирующих пород и других факторов:
где / — линейный размер, характеризующий форму отверстий, перекрытых или заклиненных зернами породы; V — скорость движения жидкости; р — плотность жидкости; АР — перепад давления до и после фильтра (в зоне контакта); ц,ж — динамический коэффициент вязкости; g — ускорение свободного падения; А — величина, характеризующая шероховатость отверстий и зерен. Принимая за основные величины и, р и / согласно известной в теории размерностей л-теореме, выражение (14) можно привести к виду: Расход через боковую поверхность фильтра равен Q = x(i)У2gkfl. Коэффициенты потерь напора и расхода р,, полученные экспериментально, представлены в виде функций (22) и (23).
Лабораторные установки и методика исследований. Экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях на фильтрационных лотках: полуцилиндрическом, секторном (центральный угол 45) и цилиндрическом.
Полуцилиндрический фильтрационный лоток диаметром 155 м и высотой 1,0 м изготовлен из листовой стали (рис. 25). Передняя стенка лотка плоская, с вмонтированным лобовым органическим стеклом размером 0,95 х 1,0 м, толщиной 0,22 м. По полуокружности лотка имеется приемная камера, отделенная перфорированной перегородкой с двойной латунной сеткой. Перфорированная распределительная труба для подачи воды в лоток (изогнутая по полуокружности) расположена в камере па высоте 0,45 м от дна лотка, что обеспечивало равномерный приток воды по всему сечению грунта. Крышка лотка с краном для выпуска воздуха соединялась с ним болтами и резиновой прокладкой. В дно лотка вмонтированы вертикальные пьезометрические трубки, расположенные в трех контрольных створах, проведенных по радиусам с шагом 45 (на рисунке показан один створ пьезометров). Входные отверстия трубок защищены от проникновения песка латунной сеткой.
Секторный фильтрационный лоток изготовлен из листовой стали (рис. 26). Со стороны широкой части сектора находилась камера питания, отделенная изогнутой по дуге перфорированной перегородкой, покрытой сеткой. В узкой части лотка имелось окно, к которому на фланцах крепили обойму из органического стекла с моделями обычных щелевых и гравитационно-щелевых фильтров (рис. 27). Боковые стенки обоймы служили продолжением боковых радиальных плоскостей.
Цилиндрический фильтрационный лоток диаметром 0,50 м и высотой 0,40 м состоял также из приемной камеры шириной 0,12 м, 01 дленной по окружности перфорированной перегородкой с латунной сеткой.
Лотки включали в замкнутую циркуляционную систему, состоящую из трех напорных баков, расположенных на разной высоте, приемного подземного резервуара и насоса.
Из напорного бака вода поступала в фильтрационный лоток, затем в подземный резервуар. Расход измеряли объемным способом, напоры — с помощью пьезометров или манометров.
Модели фильтров представляли собой их фрагменты (с соответствующим центральным углом), выполненные в натуральную величину. В опытах использовали однородные и разнозернистые пески. Вначале исследовали гидравлическое сопротивление фильтров. В опытах входная скорость воды в фильтр, отнесенная к площади модели, изменялась от 0,0 до 4,0 см/с.
Определение гидравлического сопротивления на контакте фильтр — порода. Предварительно изучали гидравлические сопротивления открытых (без наложения) щелей. На основании работ А. Д. Альтшуля, Н. С. Краснова (1967) и других авторов были получены выражения для потерь напора щелевых фильтров, работающих без наложения, например, в устойчивых скальных и полускальных породах:
и — средняя скорость в щели. Зависимость (25) подтверждена опытными данными. Наложение зерен породы на водоприемную поверхность фильтра уменьшает живое сечение щелей или отверстии, в результате чего гидравлическое сопротивление увеличивается. Сопротивление, вызываемое наложением породы на водоприемную поверхность фильтров, в значительной степени зависит от конструктивных особенностей фильтров.
коэффициент, зависящий от схемы укладки зерен. По Н. А. Карамбирову, изменяется от 1 до 1,7 соответственно при рыхлой и плотной укладке. Живое сечение фильтрационного потока в контактной зоне определяется площадью водоприемных щелей, стесненных перекрывающими их зернами. За линейный размер пор принимали гидравлический радиус Я наиболее характерного для контактной зоны открытого промежутка между кромками щели и зернами: (сплошная линия на рисунке 29). Значения параметров а и Ъ приведены в таблице 13. Формулы (33) — (35) позволяют рассчитывать потери напора на контакте щелевых фильтров с породой. удобства пользования ими на рисунках 29 н 30 представлены графики. На основании полученных данных определены границы линейной и автомодельной областей фильтрации в контактной зоне (точность 10): ReKp = 40(4-) (36) При ReReKp на контакте фильтр — парода происходит ламинарное движение, когда силы инерции не имеют практического значения. При /?Kp ReZReaBT ламинарный режим постепенно переходит в турбулентный. Характер изменения параметров истечения в переходной области определяется нарастанием турбулентности потока. При Re ReaBT происходит турбулентное движение, когда основное влияние приобретаю i силы инерции.
С увеличением скважности фильтров сопротивление на контакте уменьшается. При обработке опытных данных изменение коэффициента потерь напора в зависимости от скважности можно представить формулой
Если данные опыта (диаметр частиц грунта 1—2 мм) отнести к щели, т. е. за характерную скорость принять скорость в щели, а за линейный размер — ее гидравли ческий радиус, то в области малых чисел Re (Rein, 20) коэффициент потерь напора определяется формулой: г 13,9-10 Коэффициент сопротивления в данном случае зависит только от числа Re. Сопоставление результатов исследований автора с данными D. Klotz (1970), I. S. Petersen. С. Rohwer, М. L. Albertson (1953),V. Н. Skott,. Vaadia (1958) показало расхождение от 0 до ±15 (рис. 31). Таким образом, исследования позволяют определять потери напора на контакте фильтр — порода и параметры истечения на контакте фильтров с породой в широком диапазоне изменения чисел Re. Отпадает необходимость определения коэффициентов сопротивления опытным путем, как это предлагают I. S. Petersen, С. Rohwer, М. L. Albertson (1953). Представляется возможным для расчетов входных скоростей по длине фильтра использовать зависимости М. М. Solliman (1965), а также определять общее сопротивление фильтра по формулам В. А. Васильева и Д. Ф. Шульгина (1964), в которые входят значения коэффициентов расхода.