Характеристика потока в скважине

Следующие конструкции относятся к забору грунтовых вод в рыхлых породах. Для упрощения должна рассматриваться скважина со свободным зеркалом воды, расположенная близ залегающего водоносного горизонта.

Если рассматривать стандартно оборудованную скважину, где насос располагается выше фильтрующей колонны, уровень воды понижается максимум на 2 метра выше насоса.

Приток к скважине вызывается за счет понижения уровня воды в скважине. Так создается воронка депрессии, которая имеет разный угол наклона в зависимости от пропускной способности пород.

Рис. 1.1 Стандартно оборудованная скважина со свободным зеркалом грунтовых вод

В скважинах с напорным горизонтом грунтовых вод характеристики аналогичны:

Рис. 1.2 Скважина в напорном горизонте

Последующие значения применяются также при рассмотрении более глубоких уровней.

Форма и радиус воронки депрессии зависит от пропускной способности пород.

Пропускная способность пород

Водопроницаемость зависит от:

• 1.    гранулометрического состава

• 2.    плотности грунта

• 3.    величины фракции

• 4.    общего порового пространства

• 5.    остаточного полезного порового пространства.

Гранулометрический состав водоносного горизонта (рыхлых пород) представлен в форме кривой гранулометрического состава (или гранулометрической кривой):

Диаметр частиц в мм

Рис 1.3 Диаграмма гранулометрической с традиционной кривой

Можно сделать следующие выводы:

• 1.    ^Чем круче гранулометрическая кривая, тем более однородна рыхлая порода, тем больше порового пространства остается для заполнения более мелкой фракцией (см. Фильтрующая гравийная обсыпка)

• 2.    ^Чем ровнее гранулометрическая кривая, тем более смешанная рыхлая порода. Когда таким образом более мелкий песок заполняет пространство, подобная порода обладает меньшей пропускной способностью, по сравнению с однородными породами.

• 3.    ^Чем дальше кривая от левой стороны, тем мельче фракция и поровое пространство, тем меньшей пропускной способностью обладает порода.

Плотность залегания грунта

Плотность залегания рыхлых пород и добавленного к ним фильтровального гравия зависит от способности к уплотнению гранулометрической смеси. Уплотнение фильтровального гравия и связанной с ним плотности залегания грунта имеет большее значение на пропускную способность рыхлых пород или фильтровального гравия, в то время как плотность залегания рыхлых пород влияния почти не оказывает.

Так происходит в сосуде вместимостью 1л = 1000 см^³

0 = 20 mm

0 = 20 mm

Рис 1.4.1:

... в самой рыхлой укладке: 5x5x5 = 125 шариков диаметром 20 мм.

Объем шариков составляет 525 см³

(см. гл. 1.1.3).

Площадь поверхности составляет 1500 см² (см. гл. 1.1.4).

Рис 1.4.2:

... в самой плотной укладке: примерно 150 шариков диаметром 20 мм.

Рис 1.4.3:

... в самой рыхлой укладке:

50 х 50 х 50 = 125.000 шариков диаметром 2 мм и площадью поверхности 1,5 м².

Монофракционная смесь намного легче даже в самом плотной укладке, чем порода со смешанным гранулометрическим составом.

Пропускная способность пород

Размер отдельных гранул очень важен, так как только сквозь оставшееся полое пространство (поры) может проникать вода.

Имеющееся поровое пространство мелкозернистых рыхлых пород, вопреки широко известному мнению, не меньше пространства крупнозернистых рыхлых пород.

Например:

Объем шарика Ø20 мм высчитывается по формуле:

V = 1/6 × π × d³

V = 1/6 × π × 23 = 4,2 см^³

Объем порового пространства 125 шариков Ø20 мм в емкости объемом 1 л = 1000 см³ составляет в самой рыхлой укладке (см. гл. 1.4.1) таким образом:

4,2 см³ × 125 = 525 см³

Общий объем = 1000 см³ = 100,0%

Объем пустот = 475 см³ = 47,5%

Объем порового пространства 125.000 шариков Ø2 мм в емкости объемом 1 л = 1000 см³ составляет в самой рыхлой укладке (см. гл. 1.4.3)

V = 1/6 × π × d3 = 1/6 × π × 0,2 = 0,0042 см³

0,0042 см³ × 125.000 = 525 см³ = 47,5% (см. выше)

Таким образом, поровое пространство не зависит от диаметра частиц.

Объем порового пространства 150 шариков Ø20 мм в емкости объемом 1 л = 1000 см³ составляет в самой плотной укладке (см. гл. 1.4.2) соответственно:

4,2 см³ × 150 = 630 см³

Общий объем = 1000 см³ = 100,0%

Объем пустот = 370 см³ = 37,0%

Таким образом, поровое пространство монофракционной смеси, например, систематизированного фильтрующего гравия, независимо от диаметра фракции, всегда составляет примерно 40%.

Дополнительно проведенные исследования фильтрующего гравия подтверждают это высказывание. В породах со смешанным гранулометрическим составом поровое пространство частично заполняется более мелкими фракциями, что уменьшает пористость.

Таким образом, размер отдельных частиц не столь важен для порового пространства. Однако, если мелкозернистая смесь водонепроницаемая, то образуется большая поверхность, которая связывает воду (сила адгезии воды).

Полезное поровое пространство

От имеющегося порового пространства нужно оттягивать адгезионную воду (связанную воду) на гравий c целью, чтобы сохранить природное полезное поровое пространство (фактическое водопроницаемое поровое пространство) для потока воды.

Рис 1.5 Изображение полезного порового пространства

Насколько сильно увеличивается гранулометрическая поверхность при маленьком диаметре гранул, покажет следующий пример:

Гранулометрическая поверхность вычисляется по формуле: А = π × d²

Таким образом, гранулометрическая поверхность фракции Ø20 мм составляет:

А = π × d² = π × 2² ≅ 12 см²

Исходя из этого, гранулометрическая поверхность 150 шариков Ø20 мм в емкости объемом 1 л = 1000 см³ составляет:

А = 12 см² × 125 = 1500 см²

Гранулометрическая поверхность фракции Ø2 мм составляет:

А = π × d² = π × 0,2² = 0,12 cм²

Гранулометрическая поверхность 125.000 шариков Ø2 мм = крупный песок объемом 1л составляет:

А = 0,12 см² × 125.000 = 15.000 см² = 1,5 см²

Таким образом, если десятикратно уменьшить диаметр гранулы, гранулометрическая поверхность увеличится в 10 раз.

0,2 мм Среднезернистый песок ⇒     125.000.000 гранул на 15 м²

0,02 мм       Пылеватый песок                                      на 150 м²

0,002 мм      Глина                                                   на 1500 м²

Итак, с уменьшением диаметра гранул увеличивается гранулометрическая поверхность, а вместе с тем часть связанной воды значительно забирает соответствующее количество полезного пространства.

Это также вытекает из показанного на Рисунке 1.6 перечня полезного порового пространства основных групп важнейших породных отложений. Решающей для пропускной способности данных рыхлых пород является доля мельчайших частиц < 0,06 мм.

Полезное поровое

Рисунок ясно показывает эту взаимосвязь в зависимости от различного размера фракций:

Общая доля пор образуется больше всего при мелкозернистости рыхлых пород. Это также объясняет неблагоприятное действие осадка данных пород.

Общая доля пор образуется меньше всего при крупнозернистости рыхлых пород, ввиду того, что доля твердых веществ преобладает, или того, что поры закупориваются более мелкими частицами. Поэтому большая часть полезного порового пространства заполняется средним и крупным песком, что составляет примерно 25%.

Значение k_f (коэффициент фильтрации грунта)

Для оценки пропускной способности породы служит коэффициент фильтрации k_f. Он показывает теоретическое значение скорости движения грунтовых вод в м/с, причем вводится градиент грунтовых вод (гидравлический градиент) 1:1 = 100%.

Так как по правилу скорость указывается в м/с, значение получается очень маленьким (см. рис. 1.7).

В качестве исходных данных kf в литературе приводятся следующие данные (L = Лоос; J = Елинер, P = Петерманн):

Рис. 1.7: Значение k_f различных видов пород

Мы видим, что коэффициент kf может колебаться сам по себе при одинаково указанных породах более чем в десять раз. Поэтому предлагают ввести нижнее и верхнее предельное значение при исчислении понижения уровня грунтовых вод и фильтрационных потоков, исходя из рассчитанных значений и лабораторных данных.

Для лучшей оценки возможен перерасчет указанной скорости в м/день (м/д) или м/год.

Песок                 k_f = 10^-3= = 0,001 м/с = 3,6 м/ч = 86 м/д

Пылеватый песок     k_f = 10^-6 = 0,000.001 м/с = 8,6 см/д

Глина                 k_f = 10^-10 = 3 мм/год

Значение kf - это важная характеристическая величина при выборе правильного метода отсевов для вычисления понижения уровня грунтовых вод и расчета параметров скважины.

Существуют еще способы вычисления значения k_f:

• 1.    С помощью лабораторных исследований образцов пород

• 2.    Вычисление по гранулометрической кривой (например, по Хейзену k_f = 0,0116 × dw²)

• 3.    С помощью пробной откачки на испытательной скважине.

Последний вариант – самый точный. Наряду со значением k_f, также важны данные о направлении течения грунтовых вод и уклон грунтовых вод.

Приток и понижение в скважине

Рис. 1.8: Зависимость притока воды в скважине и воронки депрессии, изображенная в вертикальном и горизонтальном разрезе скважины.

При рассмотрении горизонтального разреза скважины в области фильтра, можно установить:

Пространство для притока воды (А) при приближении к скважине становится уже.

Скорость (v) притока воды должна становиться больше при приближении к скважине, так как

Q = A × v, где Q = количество воды, А = площадь сечения потока

Если удаленность сокращается вдвое, то скорость (v) вдвое увеличивается.

Решающее препятствие и вместе с тем наибольшее сопротивление для притока воды создает наиболее поврежденный бурением участок скважины. Это касается не только бурения с промывкой.

То же самое можно увидеть на вертикальном разрезе по форме кривой понижения. Независимо от того, хорошо или плохо пропускает водоносный слой, воронка депрессии имеет больший уклон (I) с увеличением приближения к скважине, так как увеличение скорости потока достигается только за счет увеличения уклона.

Кривая опускания позволяет сделать следующие выводы:

При приближении к скважине уклон (I) должен становиться больше, так как

v=kf× I.

Если расстояние сокращается вдвое, то уклон (I) должен вдвое увеличиваться.

На ближнем участке уклон особенно велик, здесь большая проницаемость может достигаться за счет удаления песка (см. гл. 9).

Когда вода достигла затрубного пространства, она может без больших потерь проникнуть в фильтр по причине высокой проницаемости правильно подобранной гравийной обсыпки.

Значение удаления песка особенно понятно во время гидравлического давления при бурении с промывкой (см. гл. 2.1.3).

Надежность бурения с промывкой зависит от избыточного гидростатического давления столба промывочного раствора, а не от фильтровального осадка на станках скважины, как это часто предполагают. Это избыточное давление ведет к тому, что от промывки фильтрат просачивается в водоносный горизонт. Мельчайшие частицы, принесенные промывкой, забивают поровое пространство водоносного горизонта в ближней зоне скважины. Наряду с уплотняющими характеристиками инфильтрационные присадки для бурового раствора также могут создавать благоприятную питательную среду для бактерий.

Отсюда вытекают два важнейших требования к бурильщику:

Избегайте ненужной инфильтрации вследствие возможного незначительного превышения давления (небольшая плотность раствора) или вследствие рабочего фильтрационного осадка слабой концентрации.

Удаляйте инфильтрационные частицы с помощью интенсивной обработки (удаление песка) скважины.

Отсюда ясно, что особое внимание нужно уделять ближней зоне вокруг скважины.

Приток к скважине

Приток к скважине образуется не напрямую из вышесказанного, а зависит от:

• •    значения k_f водоносного горизонта или отдельных пластов водоносных горизонтов

• •    уровня грунтовых вод (напорный/безнапорный)

• •    совершенной/несовершенной скважины

• •    уклона грунтовых вод

• •    места установки насоса.

Представим самую распространенную рабочую ситуацию - напорный уровень воды, различная пропускная способность пластов, циркуляционный насос находится выше фильтра, тогда кривая набегающего потока будет иметь примерно такую линию:

Горизонтальный водоносный слой

Рис. 1.9 Вертикальный разрез совершенной скважины с кривой набегательного потока

Приток к скважине никогда не бывает одинаков. В зоне притока образуется особенная угроза засорения песком и окисления для скважины.

Фактический приток к скважине можно определить лучше всего с помощью дебитомера.