Главная страница ДонНТУ Страница магистров Поисковая система ДонНТУ

ЯНЕНКО НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

Email: tash@ukrtop.com

Горно-геологический факультет
Кафедра: Технология и техника геологоразведочных работ

Тема магистерской работы:
"ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ВОДОПРИЕМНОЙ ВОРОНКИ БЕСФИЛЬТРОВЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН"
Научный руководитель: доцент, к. т. н. ЮШКОВ ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

На главную Библиотека Ссылки Результат поиска Индивидуальное задание

"Начало - более чем половина всего" - Аристотель

АВТОРЕФЕРАТ

Актуальность проводимой работы

Водоприемная часть – наиболее важный элемент скважины, буримой для водоснабжения. В зависимости от состава и сложения водоносного горизонта, а также от состава, состояния и свойств водоупорных пород кровли и подошвы водоносного горизонта водоприемная часть скважины может быть бесфильтровой или оборудована фильтром. Бесфильтровые скважины весьма эффективны, так как фильтрационная поверхность водоприемных каверн эквивалентна десяткам и сотням метров трубчатых фильтров. Эксплуатация бесфильтровых скважин отличается стабильностью дебита в течение длительного срока. При устойчивых скальных водоносных породах не требуется какого-либо оборудования, специальной обработки водоприемной части или особой методики откачки. После окончания бурения и откачки до полного осветления воды при постоянном дебите и установившемся уровне скважины, вскрывшие водоносные горизонты, можно передавать в постоянную эксплуатацию. Для эксплуатации водоносных горизонтов, сложенных пылеватыми песками, непригодны никакие фильтры, за исключением гравийных. Если установка гравийного фильтра в таком горизонте почему-то затруднена или невозможна, то при особых благоприятных геолого-гидрогеологических условиях прибегают к бесфильтровой эксплуатации горизонта. Бесфильтровая водоприемная часть скважины в песках в отличие от фильтровой не пересекает полностью водоносный горизонт и не внедряется глубоко в него, а вскрывает только верхнюю его часть (практически башмак эксплуатационной колонны труб должен находиться не более чем на 0,5 м ниже водоупорной кровли). Поэтому особое значение приобретает исследование формирования скважины, а также изменение ее профиля и поперечных размеров в процессе бурения.

Цели и задачи исследования

Целью проводимой работы является установление механизма формирования и основных факторов, влияющих на процесс образования водоприемной воронки методом прямой промывки.

В соответствии с поставленной целью были поставлены и решаются следующие задачи: 1) Проанализировать существующие подходы к описанию формирования водоприемной воронки. 2) Составить описание процесса образования водоприемной воронки на основе изучения баланса сил, воздействующих на частицы грунта. 3) Оценить степень влияния установленных гидрогеологических и технологических факторов, но процесс формирования воронки.

Идея работы – использование основных положений теории русловых деформаций и баланса сил, действующих на частицу грунта для установления формирования водоприемной каверны.

Методы исследований

Для исследования процесса формирования водоприемной каверны бесфильтровой скважины потоком жидкости методом прямой промывки использовались эмпирические и теоретические методы исследований: элементарно-теоретический анализ, который базируется на основных положениях теории русловых деформаций.

Существующие подходы к математическому описанию водоприемной воронки гидрогеологических скважин

При помощи интенсивной откачки эрлифтом или промывки в верхней части пласта водоносного песка разрабатывается воронка (каверна) с большой водосборной площадью, которая и является водоприемной частью скважины (табл. 1). Непременное условие эксплуатации таких скважин – непрерывный и равномерный режим откачки, не нарушающий угла естественного откоса водоносной породы.

Рисунок 1 – Схематический геолого-технический разрез бесфильтровой скважины

1 – зацементированные обсадные трубы; 2 – каверна; 3 – параболический свод обрушения; 4 – свод обрушения, образованный вращением параболы вокруг своей оси; 5 ,6 – соответственно кровля и подошва водоносного горизонта; 7 – цилиндрическая зона напряженности пород MNKL над каверной; 8 – прочная связная порода: глина, мергель и пр.; 9 – несвязная порода: песок-плывун и пр.; 10 – водоносные пески;
11 – эпюра давления в цлиндрической зоне напряженности пород.

Приведенные в табл.1 расчеты условны, но они объясняют большие дебиты бесфильтровых скважин при незначительном вскрытии водоносного пласта (по В.М. Гаврилко и О.К. Киселеву). При образовании каверн нарушается равновесие пород, находящихся в зоне скважины (рис. 1). Наибольшее напряжение испытывает порода, расположенная выше каверны по границе MN и KL. Эта порода, лишенная твердой опоры снизу, стремиться под действием силы тяжес ти обрушиться в каверну. Однако при наличии в разрезе крепких связных пород этого не про исходит. порода в зоне границ MN и KL каверны «повисает» на породе, находящейся за этими границами, в результате чего разрушается сводовая часть кровли над каверной. По данным исследований, давление в зоне напряженности пород 7 с глубиной распределяется по эпюре давления 11. С поверхности и до глубины, равной 5-6 радиусом каверны, давление увеличивается по гидростатическому закону.

Таблица 1 – Величина фильтрационной поверхности каверны бесфильтровой скважины
При угле естесственного откоса водоносного песка, равном 10 градусам

Глубина каверны, м	Поверхность каверны, м²	Радиус каверны, м	Длина 6-дюймового фильтра, приведенная к равновеликой поверхности каверны, м
0.5	27	3	54
1	100	5,7	200
2	470	11	940
3	-	-	-

При угле естесственного откоса водоносного песка, равном 25 градусам

Глубина каверны, м	Поверхность каверны, м²	Радиус каверны, м	Длина 6-дюймового фильтра, приведенная к равновеликой поверхности каверны, м
0.5	4	1	8
1	18	2,2	36
2	72	4,3	144
3	287	6	540

При угле естесственного откоса водоносного песка, равном 35 градусам

Глубина каверны, м	Поверхность каверны, м²	Радиус каверны, м	Длина 6-дюймового фильтра, приведенная к равновеликой поверхности каверны, м
0.5	2,3	0,7	4,6
1	9,4	1,4	19
2	38	2,9	76
3	150	6	300

Гидростатический закон увеличения с глубиной характерен для жидкости и для рассматриваемого случая выглядит так

, (1)

где ₀₁ - удельный вес пород.

Ниже этой зоны при наличии связных крепких пород давление с глубиной не увеличивается, а является величиной постоянной, равной Р₁. Такое распределение давления над выработкой в связных породах может сохраниться до кровли водоносного песка. Но если в разрезе имеются пласты несвязных пород (песок водонасыщенный 9), нарушается постоянство давления и оно снова увеличивается по гидростатическому закону. Вследствие этого на пласт кровли 5 вышележащие породы будут оказывать давление

, (2)

где ₀₁и ₀₃ - удельный вес пород.

Ниже этого пласта величина давления до начала эксплуатируемого водоносного пласта остается постоянной. Незак репленная порода, которая стремиться обрушиться в каверну, расположена внутри параболического свода обруше ния 3, имеющего высоту h_п- «свободное тело». При цементации колонны центральная часть «свободного тела» свя зывается с обсадной колонной, в результате чего высота «свободного тела» уменьшается. Свод обрушения приобре тает форму, образованную вращением параболы вокруг вертикальной оси 4 с высотой

Расчет бесфильтровой скважины. Высота параболического свода обрушения h_ппо характерному для нее закону равна

, (3)

где R_k – допустимый радиус каверны;

- тангенс угла внутреннего трения или внутреннего сопротивления для плотных пород, слагающих кровлю над водоносным горизонтом (табл. 2).

Таблица 2 – Значения для различных горных пород

Горные породы
Глины пластичные	0,48-1,19
Сланцы глинистые, брекчии на глинистом цементе	1,19-2,74
Известняки и песчаники средней плотности	2,75-5,67
Полевой шпат, кварцевые породы, гранитный сиенит, габбро	5,67-11,43

Нельзя допускать обрушения «свободного тела» в каверну, так как вследствие этого полость каверны может изолировать водоносный горизонт от ствола скважины.

Устойчивость кровли сохраняется при соблюдении условия

, (4)

где

- удельный вес воды, равный 1;

_k - удельный вес породы кровли пласта в т/м3; H_ст - статический уровень воды (считая от глубины кровли - непониженный столб воды в скважине) в м; S_max - наибольшая величина понижения уровня воды в м; m_k- пористость породы кровли в долях единицы. Зацементированная эксплуатационная колонна выполняет роль анкерной поддержки и снижает обрушение кровли.

Таблица 3 – Значение угла естественного откоса под водой пород, слагающих водоносные горизонты

Наименование породы	Угол естественного откоса , град
Песок мелкий илистый (плывун)	0 - 15	0 – 0,27
Песок средней крупности	25 - 30	0,47–0,61
Песок крупный гравелистый	35	0,7
Галечник с песком	25	0,47

По формулам (3) и (4) величина допустимой высоты параболического свода определяется с большим запасом. Из допустимой высоты и формул (3) и (4) допустимый радиус каверны будет равен:

, м (5)

Зная величину допустимого радиуса каверны , можно определить максимально допустимый дебит скважины

, м3/ч (6)

где

- тангенс угла естественного откоса породы в воде (табл. 3); v_доп - допустимая выходная скорость фильтрации в м/с; R_k - допустимый радиус основания каверны в м.

Объем каверны ориентировочно определяется по формуле круглого прямого конуса

, (7)

где h_k - глубина каверны в м.

Объем каверны можно определить по количеству выносимого песка по формуле

, (8)

где V_п - объем вынесенного песка из скважины в м2;

- коэффициент разрыхления песка, равный 1,05-1,15.

Рассмотренные выше зависимости приводятся в трудах Башкатова Д.М., Сулакшина С.С. [11], Калинина А.Г., Левиц кого А.З. [2], Квашнина Г.П. [1].

Описание процесса образования водоприемной воронки бесфильтровой скважины

Принято считать, что частицы неукрепленного грунта находятся в равновесном состоянии, удерживаемые силами тяжести сцепления с массивом. При увеличении средней скорости потока способность грунта противостоять размыву нарушается, часть частиц отрывается от массива и перемещается вдоль дна русла в виде наносов. Исследования Б.И. Студеничникова показали, что при течении жидкости без свободной поверхности (например, под ледовой коркой) распределение скорости потока по сечению не оказывает сколь-либо существенного влияния на механизм размыва дна канала при небольшой глубине Ц.Е. Мирцхулава проведенными в лабораторных условиях экспериментами доказал, что при исследовании процессов формирования подводного русла необходимо независимо от связности грунта учитывать свойства сцепляемости частиц, вводимые в расчетную формулу в виде коэффициента сцепления В процессе размыва подъемная сила оказывается больше силы, удерживающей частицу в массиве, частица приобретает ускорение и выносится в поток:

, м (9)

В этом выражении

- предельная сопротивляемость грунта сдвигу.

Обобщая, отметим, что для описания процесса формирования скважины, происходящего при гидравлическом бурении, целесообразнее всего использовать принципы, заимствованные из теории расчета русловых деформаций и течений. В то же время необходимо учитывать коренное отличие условий происходящих процессов, заключающееся в том, что русловые течения проходят при слабом наклоне потока к горизонтали, а при бурении поток направлен вертикально вверх. Исходя из изложенного, одной из основных является задача определения диаметра образуемой скважины, при котором состояние ствола стабилизируется, т. е. процесс размыва стенок прекращается. Это позволит осуществлять оценку размеров скважины с позиции устойчивости стенок ствола. Задача должна решаться на основе разработки представлений о механизме гидроразмыва стенок скважины и использования зависимостей, характеризующих взаимодействие потока и среды. Рассмотрим схему (рис. 2), когда струя жидкости, отраженная от забоя, поднимается вдоль снаряда, формируя при этом стенки скважины. Поскольку на поток влияет близость шероховатых стенок скважины и бурового снаряда, скорость распределяется по криволинейной зависимости со снижением значения у стенок Н.А. Гукасов рассматривает поток как два криволинейных профиля, сопрягаемых, исходя из условия равенства касательных напряжений на линии максимальной скорости

	, м (10)
	Рис. 2

В этих выражениях, а также на рис. 2:

w₁, w₂– скорость, соответственно, на внутренней и внешней поверхностях кольцевого пространства, R_m- координата профиля, в которой w₁ = w₂; r – координата точки потока со скоростью w;

- динамическая скорость;

_1,2 – напряжения, соответственно, на внутренней и внешней поверхностях кольцевого пространства; K_Re, n - коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса; w_m, w_нер, w - скорость потока, соответственно, максимальная, не отрывающая частицу из стенки и в произвольной точке.

Значение турбулентного напряжения

чаще всего неизвестно, поэтому для определения динамической скорости применяем выражение

(11)

где

- коэффициент гидравлических сопротивлений для кольцевого зазора при турбулентном режиме течения, определяемый на основе опытных данных. Выражение (10) представляет собой аппроксимацию известного закона распределения скоростей, полученного Т. Карманом и Л. Прандтлем. Значения коэффициентов K_Re и n, определенные исследованиями К. Вигхардта изменяются в зависимости от режима течения (табл. 4) С учетом (11) скорость потока на внешней ветви профиля (второе выражение в формулах (10)) на расстоянии r от оси скважины составляет:

(12)

Таблица 4 - Значения коэффициентов K_Re и n потока от числа Рейнольдса

Re	1,1*10⁵	8,0*10⁵	20*10⁵	32*10⁵
n	7	8	9	10
K_Re	8,74	9,71	10,6	11,5

Формула Н.А. Гукасова (10) выводилась для течения промывочной жидкости в зазоре между обсадной и бурильной трубами и поэтому не учитывает физико–механических свойств буримой породы. Выражение (12) содержит искомую величину – координату внешней стенки кольцевого зазора, то есть радиус формируемой скважины Rскв. Скорость w также является неизвестной величиной, определение которой необходимо производить другим путем.

Баланс сил, определяющих равновесное состояние частицы грунта на стенке воронки

Рис.3

Расширение ствола скважины вследствие увеличения площади кольцевого зазора приводит к общему снижению значения скорости потока. Используя основные положения теории русловых деформаций, считаем, что вблизи стенки скважины скорость принимает значение w_нер, при котором не происходит отрыва частицы от массива. Возникает состояние равновесия: воздействующая на каждую частицу отрывающая сила уравновешивается силами сцепления с массивом , силой тяжести самой частицы и силой гидродинамического давления (рис.3). Очевидно, общее условие равновесия будет иметь вид:

(13)

Расчетная схема существенно упрощается, если считать грунт сложенным из сферических частиц одинакового диаметра. Однако в естественном залегании породы представлены разнородными по размеру частицами, отличающимися в большинстве от идеальных геометрических форм. Отклонения частиц от правильной сферической формы корректируют поправочным коэффициентом, составляющим в буровых расчетах для зерен компактной формы 0,7, для удлиненной формы 0,6, для плоской - 0,5. Из экспериментальных данных В.Н. Гончарова, Ц.Е. Мирцхулавы по деформации русел известно, что максимальный выступ отдельной частицы из массива, при котором существует неотрывающее равновесие, составляет 70% от диаметра частицы. Используем указанное соотношение и для рассматриваемого нами случая, поскольку задачей исследования является определение предельного диаметра ствола скважины, расширенного потоком восходящей жидкости, а меньший выступ частицы из массива усложняет ее отрыв. Тогда, для частицы размером

, плечи отрывающей силы, силы тяжести и силы гидродинамического давления составят:

(14)

Воздействующая на частицу сила P_ОТ, стремящаяся оторвать ее от массива, в рассматриваемом случае имеет вид: .

(15)

Здесь

_1,2 – коэффициенты, пропорциональности, определяющие особенности сопротивления при обтекании частиц потоком.

=0,84 – 0,95 – коэффициент расхода; w – относительная скорость, которая для покоящейся частицы диаметром равна средней предельной скорости, взятой по миделеву (обращенному к набегающему потоку) сечению частицы.

Из уравнения (15) следует, что с уменьшением размера частиц первое слагаемое в правой части становится значительно большим по сравнению со вторым. В свою очередь, увеличенным размерам частиц соответствуют и большие продольные скорости в потоке. Поэтому длякрупных частиц первое слагаемое становится пренебрежимо малым. Для интервала

> 10^-5– 10^-3мм характерны условия, когда сопротивление пропорционально u и появляется линейная зависимость сопротивления от

. Это соответствует малым числам Рейнольдса 0> Re <0,2, т.е. в диапазоне ламинарного обтекания тела. Пренебрегая вторым слагаемым в выражении (15), получим закон Стокса:

, (16)

где

- при обтекании шара безграничным потоком.

При увеличении диаметра частицы происходит отклонение от закона Стокса, который с приемлемой точностью сохраняется при 2•10^-4 мм<

< 10^-1мм. Уже при Re= 0,5 коэффициенты сопротивления дают отклонения от истинных около 5%, а величина зависит от Re. При больших числах Re (>200 - 400), характеризующих турбулентное обтекание, опустив в уравнении (15) первое слагаемое, получим выражение для квадратичного закона сопротивления. В переходной области при 0,5> Re <200 проявляются сопротивления, обусловленные вязкостью и турбулентностью.
Данные измерения с одиночными шариками (

= 2,6 – 3,5 г/см3) показывают, что коэффициент сопротивления удовлетворяет соотношению

(17)

где

- число Архимеда.

Формулу (17) можно записать в виде

, причем

- число Фруда.

Вес частицы в жидкости выразим как равнодействующую выталкивающей силы и силы тяжести:

, (18)

Учитывая характер возникновения сцепления в несвязных грунтах, распределенного вдоль всей контактирующей поверхности частицы, действующие силы представлены нами как сосредоточенная сила, расположенная по середине поверхности контакта (рис. 3). Длина поверхности АВ составляет

, следовательно, плечо действия силы сцепления: .

, (19)

Для определения численного значения сил сцепления существует несколько выражений в основном описывающих характер взаимодействия в глинистых грунтах. Для несвязных грунтов Б.И. Студеничников определяет силу сцепления, исходя из условия динамического воздействия потока на частицу :

, (20)

где S_СЦ – площадь контакта частицы с массивом,

_р – статическая прочность грунта на разрыв, составляющая

.

В.Н. Гончаров рекомендует вводить поправочный коэффициент, K_Сн = 0,043 – 0,06, учитывающий неоднородность действия сил сцепления, возникающую, в свою очередь, из-за некомпактного расположения микрочастиц грунта
Коэффициент сцепления определяется экспериментально по методу Н.А. Цытовича, по справочным таблицам в зависимости от размера зерна и коэффициента пористости, или расчетом по выражению

, определяющему усталостную прочность на разрыв природного грунта плотного сложения. Отметим, что расчетный и табличный способы определения коэффициента сцепления приводят к близким результатам.

Сила гидродинамического давления зависит от давления напорной жидкости в пласте и определяется по формуле:

, (21)

где m – коэффициент пористости грунта; f – площадь сечения частицы, на которую воздействует напор жидкости.

С учетом выражений (13 – 21) и выступа средневзвешенной частицы из массива условие равновесия частицы на стенке скважины (13) приобретает вид:

, (22)

Величина w выражает значение скорости на расстоянии 0,7

– предельное значение отрывающей скорости, при которой будет происходить расширение скважины:

(23)

Зависимость для определения поперечного размера воронки

Если преобразовать полученную ранее формулу (12), то скорость потока жидкости на расстоянии 0,7

от стенки скважины составит:

, (24)

Приравнивая выражения (24) и (25) и решив соотношение относительно разности диаметров скважины и стенки снаряда, получим равенство, из которого определим обобщающую зависимость для диаметра формируемой размывом скважины D_скв:

(25)

Анимация иллюстрирует процесс образования водоприемной воронки при гидроразмыве

Заключение

В формуле диаметра скважины впервые учтены все основные факторы, влияющие на формированиетвола скважины при гидравлическом бурении: конструктивные размеры снаряда, режим течения жидкости, свойства жидкости, свойства грунта.
Зависимость (25) выводилась для условий движения потока в зазоре между снарядом и стенкой скважины. Над снарядом кольцевое пространство потока увеличивается, так как совокупное сечение шланга и каната меньше сечения снаряда. Скорость потока уменьшится, и это позволяет предположить, что дополнительного размыва стенок и увеличения диаметра скважины происходить не будет.
Зависимость (25) позволяет определить предельный диаметр скважины, образованной в слабосвязных породах буровым снарядом, реализующим не только гидравлическое, но и вращательное, забивное бурение или вдавливание. При этом первоначальные размеры скважины формируются буровым наконечником снаряда (коронкой, режущим башмаком или штампом), а поток жидкости, выходящий из снаряда по схеме прямой промывки окончательно раширяет ствол до размеров, описываемых формулой (25).

Литература

1. Квашнин Г.П. Технология вскрытия и освоения водоносных пластов. – М.: Недра, 1987. – 247 с.
2. Калинин А.Г. Левицкий А. З. Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1988. –374 с.
3. Башкатов А.Д. Сооружение высокодебитных скважин. – М.: Недра, 1992. – 249 с.
4. А.С. Бронзов. Бурение скважин с использованием газообразных агентов. – М.: Недра, 1979. – 288 с.
5. Труды института "ВОДГЕО", гидрогеологические исследования водозаборных, водопонизительных и дренажных систем. – М.: ВНИИ "ВОДГЕО", 1980. – 130 с.
6. Башкатов А.Д. Предупреждение пескования скважин. – М.: Недра, 1991. – 176 с
7. Тесля А.Г. Вскрытие пластов и опробование скважин при бурении на минеральные воды. – М.: Недра, 1983. – 158 с
8. Бурение и оборудование геотехнологических скважин./ Сергиенко И.А., Мосев А.Ф., Бочко Э.А., Пименов М.К. – М.: Недра, 1984. – 224 с.
9. Д.Н. Башкатов, А.В. Панков, А.М. Коломиец. Прогрессивная технология бурения гидрогеологических скважин. – М.: Недра, 1992. – 286 с.
10. Специальные работы при бурении и оборудовании скважин на воду: Справочник. Д.Н. Башкатов, С.Л. Драхлис, В.В. Сафонов, Г.П. Квашнин. – М.: Недра 1988. – 268 с.
11. Справочник по бурению скважин на воду / Д.Н Башкатов, С.С. Сулакшин. – М.: Недра 1979. – 560с.
12. Белицкий А.С., Дубровский В.В. Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения. – М.: Недра. 1974. – 254с.
13. Справочник по бурению и оборудованию скважин на воду / В.В. Дубровский, М.М. Керченский, В.И. Плохов и др. – М.: Недра. 1972. – 512с.
14. Оноприенко М.Г. Бурение и оборудование гидрогеологических скважин. М.: Недра. 1978. – 168 с.
15. Гидравлические исследования и расчетыгидротехнических сооружений. Киев: Изд-во АН УССР, 1955. - 148 с.
16. Студеничников Б.И. Размывающая способность потока и методы русловых расчетов. М.: Недра. 1964. – 184 с.
17. Гидравлика и гидропивод. / Н.С. Гудилин, Е.М. Кривенко, Б.С. Маховиков, И.П. Пастоев. М.: Изд-во МГГУ, 2001. - 520 с.
18. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод: Учебник для ВУЗов. М.: Недра, 1991. - 331 с.
19. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: Недра, 1980. - 293 с.
20. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Иванов А.И., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М.; Л.; Государственное энергетическое изд-во, 1944. - 388 с.

На главную Библиотека Ссылки Результат поиска Индивидуальное задание