Анализ фильтровального гравия и пластиковые щелевые фильтры

Подавляющее число всех водозаборных скважин строятся в Германии с гравийным фильтром. В Америке в особенности практикуется «новый разработанный натуральный фильтровальный гравий», с помощью которого происходит интенсивное удаление песка напрямую из пригодного водоносного горизонта, в таком случае фильтр нам уже не требуется. Условия для этого метода - фильтр с большой входной поверхностью и хорошие геометрические характеристики, так как пробуренное отверстие немногим больше обсадной колонны. В большинстве рыхлых пород следует выбирать очень маленькую ширину щели, что представляет собой огромную гидравлическую потерю. В конечном счете, также встает вопрос установления эффективной герметизации затрубного пространства. Мы всегда вспоминаем про этот вариант, когда нам нужна скважина для понижения грунтовых вод или другая недолговечная скважина.

Мы ограничиваемся скважинами с гравийным фильтром, если диаметр обсадной колонны позволяет безопасную засыпку гравия. Вследствие этого необходимое затрубное пространство устанавливается по DIN 4924 «Фильтровальный гравий и песок для скважинного фильтра» в зависимости от размера частиц:

Рис. 5.1: Минимальный размер затрубного пространства.

Этот минимальный объем фильтрового гравия должен совпадать с количеством подаваемой обсыпки. При неподходящем подборе размера или неправильном затрубном пространстве могут как следствие:

образовываться гравийные мосты, и гравий может повиснуть

при прокачке/удалении песка в областях, не заполненных гравием, могут наполниться близлежащей рыхлой породой, тем самым это вызовет загрязнение скважины песком и нанесет ей вред.

В скважинах с обсыпкой полученный диаметр обеспечивает верный расчет скважины, потому что, как в формуле притока воды QA, так и в формуле пропускной способности QF напрямую используется значение диаметра.

Исходя из этих фактов, вывод о том, что если произвольно увеличить диаметр бурения при том же диаметре обсадной трубы, чтобы увеличить количество воды, в любом случае неверный. Так как чем дальше стенка скважины удаляется от обсадной колонны, тем хуже результат по удалению песка или промывки горизонта.

Задачи фильтровального гравия

Ни в коем случае нельзя удалять из фильтровального гравия все гранулы каменных пород, как из кофейного фильтра, это может привести к внешней закупорке (внешней кольмата-ции). Эта опасность возникает у слишком мелкого фильтровального гравия.

Намного больше задач у фильтровального гравия, засыпанного в затрубное пространство обсаженного водоноса:

• •    при удалении песка (см.гл.9) пропускать мелкие частицы ≤ характеристического диаметра частиц (см.гл.5.3.1)

• •    в дальнейшей работе препятствовать попаданию песка, таким образом удерживать частицы камня ≥ характеристического диаметра частиц

• •    защищать скважину и ствол скважины.

Также нельзя подбирать фильтр с такой маленькой шириной щели, что перед ней задерживались бы частицы при удалении песка или в процессе работы (внутренняя кольматация). Поэтому ширина щели фильтра (sw) никогда не должна быть меньше частиц, пропускаемых при удалении песка, которые могут просачиваться через фильтровальный гравий диаметром Di.

sw = ½ * Di

Требования к фильтровальному гравию (мелкозернистому)

Устанавливаемые к фильтровальному гравию требования (условия поставки) перечислены в стандарте DIN 4924.

• 1.    В качестве фильтровального песка и гравия может поставляться только натуральный песок и гравий, запрещается поставка ломанных и дробленных обломочных пород, таких как щебень и т.д. Форма частиц должна быть максимально близкой к круглой.

• 2.    Верхняя поверхность частиц фильтрового гравия или песка для скважинного фильтра должна быть гладкой.

• 3.    Фильтровальный гравий или песок должны состоять из чистого кварца (примерно 95% SiO₂), а также содержать в общей сложности не более 4% инородных веществ таких, как глина, известняк, слюда, полевой шпат и железо и не более 0,5% неорганических веществ, а также быть чисто вымытыми. По требованию фильтровальный песок и гравий могут поставляться высушенными огнем.

• 4.    Возможная часть более крупных зерен и зерен более мелкой фракции не должны превышать 10%. По требованию могут прилагаться данные ситового анализа завода.

• 5.    Фильтровальный песок и гравий для скважинных фильтров должны поставляться в чистых транспортных средствах, храниться на подложках и при необходимости накрываться (см.гл.3.3).

Способы анализа фильтровального гравия

Особое внимание следует обратить на распределение размеров зерен и соблюдение максимального значения содержания более мелких и более крупных фракций. Значения размеров зерен не случайно установлены так близко (см.гл.5.2).

Рис 5.2: Размер частиц фильтровального песка и гравия для скважинного фильтра согласно DIN 4924.

Если размер гравия или песка мелкой фракции примерно одинаков, полезное поровое пространство составляет чуть больше, чем 30%, что доказывается в главах 1.1.3 и 1.1.4. Если учитывать неравномерную форму фильтровального гравия, свободная пропускная поверхность фильтровального гравия будет на 20% больше, чем свободная входная поверхность традиционных фильтровых материалов (см.гл.4.5).

Большая доля более крупных и более мелких частиц или даже широкий гравий могут снизить эти хорошие показатели! Также интересно взглянуть на показатели пропускной способности отдельных гранулометрических фракций (см.рис.5.2).

Способы анализа фильтровального гравия

За последний год данные внешнего диаметра частиц Da все больше дифференцированы. Это касается диаметра фильтровального гравия, прилегающего к стенкам скважины, при этом особое внимание нужно уделять характерным частицам (см.гл.5.3.1) и коэффициенту фильтрации (см.гл.5.3.2).

Из всего списка опубликованных методов следует назвать следующие:

Анализ фильтровального гравия по:

• •  80%-границе

• •  графической характеристике частиц

• •  кривой гранулометрического состава

• •  Инструкции Немецкого союза специалистов водо- и газоснабжения W 113

Ниже следует разъяснить три первых названных способа анализа фильтрового гравия с помощью некоторых примеров. Однако следующее должно вывести все способы на первое место:

• •    Анализ фильтровального гравия может быть только настолько точным, насколько позволены испытания на скважине

• •    Если дифференцированная обсыпка не предусмотрена (см.гл. 6.1), то пробы для анализа фильтровального гравия берут из неподходящей области водоносного горизонта

• •    Диаметр частиц варьируется максимум на одну фракцию, не смотря на различные способы анализа.

В заключение в главе 5.6 представлен порядок действий при анализе фильтровального гравия без гранулометрической кривой, который осуществляется исключительно на основании визуального осмотра, но тем не менее подразумевает взаимосвязи с ранее описанными способами анализа гравия!

Характеристическая частица d_k

Существует несколько определений «характеристической частицы». В своей книге «Бурение скважин» 1973 года Биске пишет: «Характеристическая частица песчаной смеси находится на верхней точке перегиба гранулометрической кривой…» Эта «характеристическая» частица также была опубликована позднее в докладе Нолда (см.гл.5.3).

Рис. 5.3. Кривая механического состава, полученная опытным путем: верхние точки перегиба характерных кривых просеивания связаны. По Биеке диаметр частиц в верхней точке перегиба равен пределу крупности.

Так как во всех случаях чтобы определить диаметр фильтровального гравия, характеристическая частица умножается на коэффициент фильтрации, ей можно также дать такое определение применительно анализа фильтровального гравия:

Характеристическая частица – это предельный размер гранулы, все частицы меньше которого удалятся при устранении песка. Все гранулы, которые больше характеристической частицы, должны остаться в водоносном горизонте.

Когда в других способах анализа фильтровального гравия используется меньший диаметр характеристической частицы, тогда он умножается на значительно больший коэффициент фильтрации f, поэтому, в конечном счете, диаметр обсыпки D_a почти не меняется.

Разумеется, эти соображения представляют только теоретический подход к проблеме, так как при характеристической частице в области 90% проходного сечения (например), на практике было бы удалено 90% всех частиц грунта в близлежащей области, что вело бы к полному разрушению скважины. Однако на практике уже давно 80% проходного сечения проходит, как диаметр характеристических частиц. Это точно определяется только вышеназванным способом.

При использовании графической характеристики частиц видно, что в мелкозернистых породах диаметр характеристических частиц больше (90%) , тоже касается фильтровального гравия, в крупнозернистых рыхлых породах диаметр характеристических частиц меньше (50% - 70%).

Значительно дифференцированней определена характеристическая частица в открытом техническом сообщении 1983 года Немецкого Союза специалистов водо- и газоснабжения W 113 о вычислении диаметра частиц обсыпки для скважин с гравийным фильтром. В конечном счете, диаметр характеристической частицы намного меньше, чем в других способах (примерно 50%), зато коэффициент фильтрации увеличивается почти вдвое (в зависимости от коэффициента неравномерности U между 6 и 11).

Подводя итог, можно установить, что новые способы предлагают в большинстве случай больший диаметр фильтрового наполнителя, что означает:

• •  Чем больше частица фильтра, тем больше пользы от удаления песка.

• •  Чем больше частица фильтра, тем меньше сопротивление на входе, а вместе с тем по нижение в скважине и опасность старения.

• •  Чем больше частица фильтра, тем больше также опасность вынесения слишком большого количества частиц из водоносного горизонта, что в дальнейшем может привести к засорению скважины песком.

Коэффициент фильтрации f

Коэффициент фильтрации возникает в результате следующего: примерно одинаковые по размеру частицы фильтра распределяются в самом плотном и самом рыхлом залегании затрубного пространства.

Графически, а также аналитически можно вычислить какого размера должна быть частица фильтра, чтобы пропустить только характеристическую частицу.

Запись отдельного остатка на сетке в диаграмме ситового анализа дает кривую гранулометрического состава, известную так же, как гранулометрическая кривая. Следует принимать во внимание, что горизонтальное представление размеров зерен производится в логарифмическом масштабе (чем больше диаметр частицы, тем меньше единения).

Рис. 5.5. От остатков на сите к кривой гранулометрического состава

Упрощение дает приложение к ситовому анализу (см. рис. 5.6), в котором степень проходимости через сито может исчисляться в %.

[Эта форма печатается так же, как дальнейшие бланки для определения гравийного фильтра в главе 5.5.]

На примере пробы породы №1 представлены данные степени проходимости:

В качестве проходного количества положили 1000 грамм высушенной пробы породы на самую верхнюю 6,3-мм-сетку. Частицы свыше 10 мм, если имеются, отфильтровываются заранее. После достаточно продолжительной фильтрации (минимум 10 минут), отдельные остатки из отдельных сеток взвешиваются и заносятся в столбик 1. Затем отдельные остатки просева вычисляются в % по формуле:

Столбец 2 = (Столбец 1 100 )/(Вес сухой породы<10мм)

и заносятся в столбец 2. Для проверки сумма должна быть равна 100 %!