Технология сооружения водозаборных скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН

2.1 Обсадные трубы

2.2 Фильтры

2.3. Материалы для гидроизоляции заколонного пространства

3. КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН

3.1 Основные требования к конструкциям скважин

3.2 Основные типы конструкций скважин

3.3 Способы соединений полимерных труб

3.4 Расчет обсадных колонн из полимерах материалов

4. ТЕХНОЛОГИЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН

4.1 Основные сведения по проводке ствола скважин в осадочных породах

4.2 Кольматация водоносных горизонтов при вскрытии с промывкой глинистым раствором

4.3 Транспортирование и хранение полиэтиленовых труб

4.4 Обсадка скважин

4.5 Гидроизоляция заколонного пространства

4.6 Освоение скважин

4.7 Геофизические исследования в скважинах

5. РЕМОНТ СКВАЖИН

5.1 Основные сведения по ремонту скважин

5.2 Способы поддержания дебита

5.3 Ликвидация пескования скважин

5.4 Ремонт обсадных колонн

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. ВВЕДЕНИЕ

Прогнозные эксплуатационные запасы подземных вод страны оцениваются в объеме 330 км3/ год, из которых разведано 61 км3 / год, а используется лишь 18 км3 / год. Для удовлетворения потребностей народного хозяйства на период до 2000 года необходимо увлечение отбора подземных вод на 24 км3/ год.

Решение этой задачи требует значительного увлечения материальных ресурсов для оборудования скважин: обсадных труб, фильтров и т.д. Между тем для организаций различных министерств, занимающихся вопросами сооружения скважин на воду, обеспечение указанными материалами производится неудовлетворительно, сдерживает рост объемов бурения прежде всего отсутствие стальных обсадных труб и фильтров.

В этих условиях частично задача может быть решена применением полимерных обсадных труб и фильтров. Основными типами этих видов оснастки скважин является полиэтиленовые трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД) и фильтры на основе полиэтилена, ударного полистирола, волокнистого полиэтилен (фильтропласта).

Указанные материалы входят в «Перечень материалов и реагентов, разрешенных Главным санитарно-эпидемиологическим управлением Министерства здравоохранения СССР для применения в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения. Москва, 1985., 33с».

В связи с органичным сортаментом полиэтиленовых труб по диаметру, а также вследствие ограниченных прочностных свойств полимерные трубы могут решить определенную часть проблемы увеличения объемов бурения на воду, ограниченную общей глубиной скважин не более 500/700 м и глубиной спуска водоподъемных средств диаметром 160 мм - до 120-150 м и диаметром 100-110 мм - до 200-250м. Комбинированные конструкции скважин, включающие применение как полимерных так и стальных труб, позволяет значительно расширить область сооружаемых скважин как по глубинам, так и по типоразмерам водоподъемных средств.

Настоящие составлены на основания опыта сооружения и эксплуатации геотехнологических и водозаборных скважин, оборудованных с использованием полимерных материалов а также результатов работ, выполненных авторами совместно с К.Э. Самариным и С.А. Александровым.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН

2.1 Обсадные трубы

Для крепления водозаборных скважин могут использоваться металлические, полимерные трубы, либо полимерные в комбинации с металлическими.

Стальные обсадные трубы по ГОСТ 632-80 выпускаются бесшовными, муфтового соединения с короткой, нормальной или удлиненной резьбой. Основные технические характеристики этих труб приведены в таблице I.

водозаборный скважина гидроизоляция

Таблица 1

Условные диаметр, мм	114	127	140
Толщина стеки, мм	6; 7; 8	6; 7; 8; 9	6; 7; 8; 9; 10; 11
Теоретическая Масса 1 м, кг	16; 18, 5; 20, 9	17, 9; 20, 7; 23,5; 26,2;	19,8; 23,0; 26,0; 29,1; 32,1; 35,0

146	168	178	194	219	245	273
6,5;7;8; 9;10;11	6, 5;7;8; 9;10;11;	7;8;9;10; 11;12	7;8;9; 10;12	7;8;9; 10;12	7;8;9; 10;12	7;8;9; 10;12
20, 7; 24; 27,2;30,4; 33, 5;36,0	25,9;27,8; 31,6;35,3; 39;42,6; 46,2	29,6; 33,6; 37,3; 41,4; 45,0; 49,0	32,3; 36,7; 41,1; 45,4; 53,9	36,6; 41,6, 51,5; 61,3	41,1; 46,5; 52,4; 58,0; 59,0	45,9; 52,3; 58,6; 64,9; 77,2

299	324	340	(351)	(377)	407	(426)	508
8;9;10; 11;12	9;10;11; 12	9;10; 11;12	9;10;11; 12	9;10; 11;12	9;10;11; 12	10;11; 12	11
54,4;64,4; 71,3;78,1; 84,9	70,1; 70,6; 85,1; 92,6	73,2; 82,0; 89,0; 96,6	75,9; 84,1; 92,2; 100,3	81,7; 90,5; 99,3; 103,0	88,0; 97,5; 107,0; 117,5	102,7; 112,6; 112,5	135

Для оборудования неглубоких скважин могут быть также использованы трубы ниппельного соединения, выпускаемые по ГОСТ 6238-52. Основные характеристики этих труб приведены в таблице 2.

Таблица 2

Наружный диаметр, мм	73	89	108	127	146	168	219
Толщина стенки, мм	3,75	4,0	4,25	4,5	4,5	7,0	8,0
Масса 1м, кг	6,4	8,4	10,87	13,59	15,70	27,79	41,63

Основные характеристики насосно-компрессорных труб, используемых для вспомогательных операций и выпускаемых по ГОСТ 633-80, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Тип труб	С гладкими концами	С высаженными наружу концами
Наружный диаметр, мм	48,3,60,3 73 88, 9 101, 6	114,3 33,4 42,2 48,3 60,3 73,0
Толщина стенки, мм	4,0 5,0 5,5; 6,5 6,5 7,0	7,0 3,5 3,5 4,0 5,0 5,5
Масса 1м, кг	1м, 4,39 6,84 9,16 13,22 11,39 15,22	18,47 2, 58 3,34 4,39 6,84 9,16

Полиэтиленовые трубы выпускаются по ГОСТ 18599-73 типов о (облегченные), Л (легкие), СЛ (среднелегкие), С (средние) и Т (тяжелые).

В соответствии с ТУ 95. 333-73 выпускается трубы типа СТ (сверхтяжелые).

По способу изготовления полиэтиленовые трубы подразделяются на трубы из полиэтилена низкого давления высокой плотности (ПНД) и трубы из полиэтилена высокого давления низкой плотности (ПВД). Трубы ПНД более прочные, но менее гибкие по сравнению с трубами ПВД.

Положительные свойства полиэтиленовых труб: высокая химическая стойкость; достаточная механическая прочность возможность механической и тепловой обработки.

Основные недостатки труб из полиэтилена: низкие адгезионные свойства (по отношению к цементному раствору); механическая прочность уменьшается при увлечении температуры; большой коэффициент температурного расширения. Наблюдается старение под воздействие солнечных лучей.

Основные характеристики полиэтилена и полиэтиленовых труб приведены в таблицах 4,5 /26/.

Таблица 4

Физико-химические свойства	Тип труб
	ПВН	ПНД
Плотность, г /см3	0,92-0,923	0,949-0,967
Показатели текучести расплава, г/10 минут	0,3	0,3-0,6
Предел текучести при растяжении, ПМа	9,5	20,0
Относительное удлинение при разрыве, %	210	200
200Модуль упругости при избеги, МПа	110-160	680-750
Коэффициент Пуассона	0,44-0,46	0,42-0,44
Твердость и по Бринеллю, Н/м2	14-25	45-54
Температура плавления, 0С	103-110	125-132
Температура размягчения по Вика 0С (5кгс)	40	65
Средний коэффициент линейного Теплового расширения, 1/К	2,2*10-4	2,2*10-4
Коэффициент теплопроводности, ВТ/м К (ккал/м.ч. 0С	0,40(0,34)	0,50(0,43)
Удельная теплоемкость, кДж/кг*К (ккал+/кг*0С)	3,5(0,83)	2,5(0,6)
Диэлектрическая проницаемость при 106Гц	2,2-2,3	2,2-2,4
Электрическая прочность (толщина образца 1мм) кв/мм	45-60	40-60
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, 0м	5*1013	1,2*1014
Удельное объемное электрическое сопротивление, 0мм	7,8*1014	8,2*1014

Таблица 5

Наименования типа	Условное обозначение	Величина номинального Рабочего давления, МПа
Облегченные Легкий Среднегкий Средней Тяжелый Сверхтяжелый	0 Л СЛ С Т СТ	0,1 0,25 0,4 0,6 1,0 1,6

За номинальное рабочее давление принимается постоянные внутреннее давление воды при температуре 20оС, которое трубы могут выдерживать течение 50 лет.

Основные характеристики полиэтиленовых труб приведены в таблице 6.

Таблица 6

Средний наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм/масса 1 м, кг
	Л	ЛС	С	Т	СТ
20 25 32 40 50 63 75 90 110 125 140 160	- - - - - 2,0/0,399 2,0/0,478 2,2/0,627 2,7/0,935 3,1/122 3,5/1,53 3,9/1,95	- - - 2,0/0,248 2,0/0,314 2,5/0,494 2,9/0,675 3,5/0,977 4,3/1,446 4,8/1,841 5,4/2,302 6,2/3,020	- 2,0/0,15 2,0/0,195 2,3/0,286 2,8/0,427 3,6/0,684 4,3/0,971 5,1/1,38 6,2/2,04 7,1/2,65 7,9/3,3 9,1/4,33	2,0/0,117 2,3/0,169 2,9/0,271 3,6/0,418 4,5/0,661 5,7/1,03 6,8/1,47 8,2/2,11 10,0/3,14 11,4/0,07 12,7/5,07 14,6/6,66	- - - - - - - - 18/5,2 - 18/6,9 18/8,1
180 200 210 225 250 315	4,4/2,47 4,9/3,05 -/- 5,5/3,84 6,1/4,72 7,7/7,48	-7,0/3,83 7,7/4,691 -/- 8,7/5,952 9,7/7,364 12,2/11,62	10,2/5,45 11,4/6,77 -/- 12,8/8,55 14,2/10,5 17,9/16,7	16,4/8,41 18,2/10,4 -/- 20,5/13,1 22,8/16,2 -/-	- - 18/10,9 - - -

Полиэтиленовые обсадные трубы могут соединяться термоконтактной сваркой «встык» или с использованием резьбы «труба в трубу» или с применением резьбовых муфт.

В соответствии с ТУ 95. 1388-85 выпускаются трубы полиэтиленовые с резьбовыми концевиками. Указанные трубы представлены типом «Т» с приварными соединительными резьбовыми концевиками (муфтовым и ниппельным) из труб типа «СТ».

Основные характеристики этих труб приведены в таблице 7.

Таблица 7

Условное обозначение	Наруж. диам. соед. мм	Наруж. диам. тела труба, мм	Толщ. стенки трубы, мм	Наруж. сиина-ющее давл., не мене, МПа	Рабоч. внутр. давл. Не более, МПа	Осевая разру- щающая нагруз. не ме- нее, кгс	Масса 1м трубы, кг
РКПНД90Тх110 РКПНД140Тх 160 РКПНД160Тх 180	110 160 180	90 140 160	8,2 12,7 14,6	1,5 1,5 1,5	1,0 1,0 1,0	400 10000 13000	2,21 5,24 6,80

Из перечисленного сортамента полиэтиленовых труб для оборудования скважин применяются трубы ПНД сверхтяжелого типа «СТ» (реже «Т») и трубы «РК» табл.7.

Наряду с полиэтиленовыми для оборудования водозаборных скважин применяются металлопластовые трубы (МПТ), разработанные на основе технического решения по а.с. СССР № 929951. Металлопластовая труба представляет собой термопластовую оболочку (из ПНД, ПВД, или смеси ПНД марки 204-03 и ПВД марки 153-10К) с металлическим каркасом из проволоки в виде сварной сетки цилиндрической формы. Количество продольных нитей, шаг радиальной навивки и толщина проволоки зависит от диаметра трубы.

Соединение металлопластовых труб производится с использованием соединительных муфт, представляющих собой металлическую трубу и полиэтиленовую втулку (внутренняя часть муфты), на которой выполнена резьба.

Основные характеристики металлопластовых труб приведены в таблице 8 и 9.

Таблица 8

Обозначение труб	Технические условия	Наруж. диам., мм	Внутр. диам., мм	Диам. высадки под резьбу, мм	Диам. высадки под ключ, мм	Толщ. стен. мм	Масса 1 м трубы мм
МПТ 89х10,5	ТУ 013- 149-82	89	70	120	104	10,5	4,9
МПТ 115х12,5	ТУ 020- 024-85	115	90	165	138	12,5	9,3
МПТ 132х12	ТУ 95.661 -85	132	108	175	148	12	8,5

Таблица 9

№	Наименование показателей	Норма по техническим условиям Тип труб МПТ89х10,5 МПТ115х12,5 МПТ132х12
1.	Стойкость к наружному Гидростатическому давлению в течение часа, МПа, не менее	3,0	5,0	3,0
2.	Стойкость к внутреннему гидростатическому давлению в течение часа, МПа, не менее	7,0	8,0	5,0
3.	Стойкость к кратковременной разрушающей осевой нагрузке, Н, не менее	40	100	50
4.	Герметичность муфтового соединения труб при постоянном давлении в течение часа, МПа, не менее	2,0	3,0	3,0

Практически не нашли применения для оборудования водозаборных скважин в СССР обсадные трубы из непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ), трубы из АБС - пластика и стеклопластиковые. Это связано в основном отсутствием надежного быстро охватывающегося клея для соединения труб из НПХВ, а также отсутствием достаточного количества труб из указанных материалов для широкого внедрения в практике работ.

2.2 Фильтры

С перечисленными в разделе 2.1. типами полимерных обсадных труб могут быть использованы все известные типы фильтров: трубчатые с щелевой круглой перфорацией, сетчатые, проволочные, дисковые, блочные, гравийно-обсыпные, изготовленные и различных полимеров, стальных, фанерных, эмалированных труб.

На основе полиэтиленовых труб типа ПНД и ПВД изготавливаются щелевые фильтры с нарезкой в трубах горизонтальных или вертикальных щелей дисковыми фрезами. Нарезка щелей осуществляется поясами. Соотношение между основными конструктивными элементами фильтров - ширина и высота щелей, расстояние между щелями и поясами- определяется исходя из гранулометрического состава пород эксплуатируемого горизонта и действующих на фильтр нагрузок.

Основные характеристики щелевых фильтров из труб типа ПНД приведен в таблице 10.

Таблица 10

Показатели	Фильтр
	ФЩП-75	ФЩП-110	ФЩП-140
Наружные диаметр, мм Толщина стенки, мм Ширина щели, мм Расстояние между щелями, мм	75 8 1,0;1,6 1,0 10	110 18 1,6; 2,0 1,0;	140 18 1,6; 2,0 20
Длина щели, м Расстояние между поясами, мм Скважность, %	40 30 7-9	15 до 70 35 7-9	до 80 40 7-9

На основе а.с. СССР № 1143148 кл. Е 21В 43/08 разработан и выпускается фильтр каркасно-дисковый типа КДФ. Фильтры изготавливаются в соответствии с ТУ 013. 182-86 и состоят из полиэтиленового перфорированного каркаса и конусных дисков с образованием между ними поперечных щелей. Диски удерживаются на перфорированном полиэтиленовом каркасе с помощью резьбовых муфти и ниппеля.

Основные характеристики фильтров типа КДР приведены в таблице 11.

Таблица 11

Типоразмер фильтра	Условная длина секции, м	Диаметр фильтра, мм	Ширина щели, мм	Теоретическая скважность
		Наружный	Внутренний
КДФ-120-0,8 КДФ-140-0,8 КДФ-108-1,0	1,0; 2,0 1,0; 2,0 1,0; 2,0	120 140 180	70 70 74	0,8+-0,02 0,8+-0,02 1+-0,02	9,6 14,2 22,2

В соответствие с ТУ 020-023-85 изготавливаются дисковые фильтры типа ФД, отличающиеся от фильтра типа КДФ. Соединением конусных дисков с помощью стягивающих шпилек и отсутствием внутреннего каркаса из перфорированной полиэтиленовой трубы.

В фильтрах типов «КДФ» и «ФД» диски выполняются из ударопрочного полистирола.

На основе перфорированного каркаса из полиэтиленовой трубы с направляющими ребрами и колец, на торцевой поверхности которых выполнены под острым углом к касательной плоскости кольца канавки (фильтрационные щели), по ТУ 020-003-83 изготавливаются фильтры аксиальные, предназначенные для эксплуатации водоносных горизонтов, представленных тонко - и мелкозернистыми песками. Аксиальные фильтры применятся без гравийной обсыпки.

Основные характеристики аксиальных фильтров приведены в таблице 12.

Таблица 12

Обозначение	Технические условия	Наруж. диам., мм	Скваж ность, %не менее	Характеристика Канавки или размер элемента, мм	Длина фильтра,	Вес фильтра, 1 шт/к
				Высо- та	Шири- на
1	2	3	4	5	6	7	8
АФ-120-1	ТУ 020-020 -85	120	10	0,7	0,7	1050 (2050	7,4
АФ-120-П АФ-120-Ш АФ-140 АФ-200	020-020-85 -«- ТУ 020-003-83 ТУ 020-011-85	120 120 140 200	20 30 12 12	0,7 1,5 0,7 0,7	1,5 3,0 0,7 1,5	1050 (2050) -“- -“- -“-	7,4 -“- 8,75 14,5

Для оборудования водозаборных скважин с обсыпкой песчано-гравийной смесью (Д50=1ч5мм) по ТУ 020-008-84 и ТУ 020-026-85 выпускаются гравитационные фильтры. Эти фильтры состоят из ребристого полиэтиленового каркаса, в нижней части которого выполнены отверстия с обеспечением минимального гидравлического сопротивления. На каркас одеваются кольца, имеющие уступы, образующие каналы с поворотом потока жидкости. Основные характеристики фильтра следующие; наружный диаметр, мм -140; скважность, не менее, % - 12; длина, мм -1050; 2050; 6050; масса, 1шт/кг - 8,3; 16% 44,2.

Наряду с указанными фильтрами для оборудования скважин могут применяться и другие типы фильтров, описанные в технической литературе /3,24 и др./.

2.3 Материалы для гидроизоляции заколонного пространства

Предотвращение пере токов в вод различных водоносных горизонтов в заколонном пространстве и их смешение является задачей гидроизоляции.

Для разобщение водоносных горизонтов могут быть использованы цементный, глино - цементный, отверждаемый глинистый, гель - цементный, отработанный глинистый растворы, а также способность пород промежуточных водоупоров к набуханию и релаксации (глинистые породы).

Свойства цементах растворов и области их применения широко описаны в технической литературе /2 и др./.

Под глино - цементными понимают растворы, твердеющие с образованием глино - цементного камня.

По сравнению цементными глино - цементные растворы имеют следующие преимущества /13/: высокую стабильность систем «цемент-глина-вода» и выход тампонажного камня до 100% устойчивость глино-цементного камня к размыву подземными водами; высокая водонепроницаемость; глино - цементный камень легко разбуривается.

Применение глино - цементных растворов взамен цементных снижает стоимость работ по гидроизоляции за счет сокращения расхода цемента.

Свойства глино - цементных растворов значительно меняются в зависимости от изменения водотвердого отношения В/Т и величины добавки глины. Добавка глины увеличивают выход камня, снижает величину и интенсивность водоотделная растворов. Уменьшение В/Т приводит у увлечению выхода камня, времени полного времени полного водоотделения, плотности раствора и снижению сроков схватывания. Сроки схватывания глино-цементных растворов удлиняются по сравнению с чисто цементными растворами: начало скатывания - в 1,3-2,7 раза, конец схватывания - в 1,6-2,9 раза в зависимости от В/Т и добавки глины.

Количество глины в глиноцементных растворах, применяемых в нефтяной промышленности, регламентируется по ТУ 21-21-7-74 до 30% от сухих компонентов.

Для определения механической прочности глиноцементного камня, полученного после твердения смешанных отработанного глинистого и цементного растворов, в Центральном РУ были выполнены исследования 21 образца. Данные по свойствам полученных образцов приведены в таблице 13.

Таблица 13

№ образца		1	2	3	4	5	6	7	8	9
Глинистый раствор	Плотн. г/см3 Объем, дм3	1,23 1,0	1,18 1,0	1,10 1,0	1,22 1,0	1,17 1,0	1,13 1,0	1,22 1,0	1,19 1,0	1,16 1,0
Цементный раствор	Плотн. г/см3 Объем, дм3	1,76 0,25	1,78 0,25	1,78 0,25	1,76 0,5	1,76 0,5	1,76 0,5	1,74 1,0	1,74 1,0	1,74 1,0
Глино- цементный раствор	Усадка после ОЗЦ,% Прочн. на сжатие, МПа	15 0,4	25 0,2	37,5 1,25	11 0,4	16,5 0,8	25 0,9	10 1,0	12,7 1,5	18,7 0,8

10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
1,23 1,0	1,20 1,0	1,15 1,0	1,18 1,0	1,16 1,0	1,13 1,0	1,19 1,0	1,22 1,0	16, 1,0	1,3 1,0	1,27 1,0	1,25 1,0
1,75 1,5	1,75 1,5	1,75 1,5	1,72 2,0	1,72 2,0	1,72 2,0	1,73 3,0	1,73 3,0	1,73 3,0	1,75 4,0	1,75 4,0	1,75 4,0
9,5 1,0	12,5 1,2	15,2 0,6	25 2,8	22,5 3,0	19 2,4	37,2 1,5	30,5 2,0	32 3,5	7,7 4,3	7,0 3,0	9,2 3,0

ОЗЦ проведении опытов составляло от12 до 19 суток.

Плотность глиноцементного раствора в момент приготовления из глинистого раствора плотность 1,15 г/см3 и цементного раствора плотностью 1,72 г/см3 приведена в таблице 14.

Таблица 14

Объем глинистого раствора, %	100	100	100	100	100	100	100
Объем цементного % раствора	25	50	100	150	200	300	400
Плотность глиноцементного раствора, г/см3	1,36	1,42	1,5	1,56	1,6	1,65	1,68

Одним из критериев применимости глиноцементного раствора для гидроизоляции заколонного пространства может быть его способность выдерживать горное давление вмещающих пород. Максимальную величину горного давления можно определить по следующей формуле:

 (1)

где: Р гор. - горное давление, МПа

n - средняя плотность пород до глубины определения горного давления для осадочных пород можно принять = 2,3 т/м3;

Н - глубина определения горного давления, м

Расчетная величина горного давления для различных глубина скважин приведена а таблице 15.

Таблица 15.

Глубина Н,м	100	200	300	400
Горное давление
Р гор., МПа	2,3	4,6	6,9	9,2

Материалы для гидроизоляции, нетвердеющие в закланном пространстве с образование водонепроницаемого камня, могут применяться для неответственных участков скважины, например, в интервале между цементными мостами, разобщающими водоносные горизонты, для разобщения водоносных горизонтов с одинаковыми напорами и т.д.

Применение нетвердеющих (пастообразных) материалов для гидроизоляций заколонного пространства позволяет производить ликвидацию скважин по окончанию их службы с извлечением обсадных колонн.

3. КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН

3.1 Основные требования к контракциям скважин.

Водозаборные скважины, оборудуемые с применением полимерных материалов, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать требуемый дебит, соответствующей производительности средств водоподъема, в процессе эксплуатации;

- обеспечивать размещение в эксплуатационной колонне водоподъемных средств;

- обеспечивать герметичность обсадных (эксплуата- ционных) колонн и предотвращения смятия обсадных труб наружным (горным, гидростатическим) давление;

- обеспечивать качественное разобщение водоносных горизонтов в заколонном пространстве;

- обеспечивать ремонтопригодность с целью устранения, при необходимости, негерметичности обсадных колонн и дефектов в работе фильтра ( поддержание дебита, ликвидация пескования, чистка от песка);

- при минимальных затратах обеспечивать простоту и технологичность выполнения отдельных операций по сооружению скважин с использованием применяемых технических средств.

Требуемый дебит скважин обеспечивается подбором соответствующих эксплуатируемому горизонту фильтров и размеров обсадных труб в сочетании с применением высокоэффективных способов освоения.

Водозаборные скважины могут сооружаться как с применением вращательного, так и ударно-канатного способов бурения. При этом в последнем случае эксплуатационная колона из полимерных, труб может устанавливаться после вскрытия водоносного горизонта, причем технические колонны из металлических труб после этой операции могут быть извлечены на поверхность.

При выборе средств водоподъема следует иметь ввиду, что в трубах ПНД21ОСТ может быть размещено водоподъемное оборудование диаметром до 160 мм, например, погружные электронасосы диаметром 6, шнуровые водоподъемники типа ВШП-50, эрлифтный водоподъем и т.д. В полиэтиленовых трубах ПНД160СТ размещают водопожъмное оборудование диаметром не более 110 мм.

Эрлифтный водоподъем может быть оборудован в полимерных трубах любого диаметра, причем эксплуата-ционная колонна может быть использована в качестве водоподъемной.

Герметичность соединений обсадных колонн обеспе-чивается применением герметиков резьбовых соединений. Для полимерных труб герметиком может быть лента ФУМ, либо раствор полиизобутилена в бензине, наносимый на резьбу до начала спуска труб в скважину. Параметры последнего герметика приведены в таблице 16.

Таблица 16

Состав	ГОСТ или ТУ	Кол-во, вес %
Низкомолекулярный полиизобутилен марки П-20	ТУ-387 103-257-75	31
Высокомолекулярный полизобутилен марки П-118	ГОСТ 13303-67	4
Бензин «Калоша» марки БР-1	ГОСТ 443-76	65

Герметик марки ФУМ (ТУ 6-05-1388-76) представляет собой ленту фторопластовую уплотнительную толщиной 0,08-0,12 мм и шириной 60 мм.

Технология ремонта скважин, оборудованных полимерными трубами, изложена в разделе 5.

3.2 Основные типы конструкций скважин

В качестве основных классификационных признаков для скважин, оборудованных с применением полимерных материалов, можно выделить следующее:

- количество обсадных колонн;

- материал труб эксплуатационной колонны;

- материал труб фильтровой колонны;

- материал фильтра;

- способ установки фильтра.

В соответствии с указанными признаками в таблице 17 приведена классификаций конструкции скважин, сооруженных с использованием полимерных труб.

Таблица 17

№	Классификационный признак	Обозначение	Описание
1.	Количество обсадных колонн	А Б	Одноколонная Многоколонная
2.	Материал труб эксплуатационной колонны	А Б	Металл Полиэтилен
3.	Способ установки фильтра	А	На эксплуатационной колонне
4.	Материал труб фильтровой колонны	Б А Б	«Впотай» Металл Полиэтилен
5.	Материал фильтра	А Б В	Металл Полимер Металлический каркас и полимерные фильтрующие элементы

Пример: Конструкция водозаборной скважины 1А2Б 3А 4Б 5Б означает, что водозаборная скважина имеет одноколонную конструкцию с эксплуатационной колонной из полиэтиленовых труб и спуском полимерного фильтра на эксплуатационной коллоне.

В приведенной таблице 17 классификации следует иметь ввиду, что классификационный признак 1Б подразумевает, что все обсадные колонны, за исключением эксплуатационной, в конструкции скважин являются металлическими. Кроме того, в классификации не учтен материал кондуктора (направления).

Возможные конструкции скважин на основе комбинаций указанных признаков приведены в таблице 18 и 19.

Таблица 18

1А
2 А 2 Б
3А 3Б 3А 3Б
4А 4А 4Б 4Б 4А 4Б
5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В

Таблица 19

1А
2 А 2 Б
3А 3Б 3А 3Б
4А 4А 4Б 4Б 4А 4Б
5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В 5А 5Б 5В

Таким образом, только по приведенным классификационным признакам возможно, в зависимости от конкретных геологических условий сооружение водозаборных скважин 36 конструкций. Некоторые конструкции водозаборных скважин, сооруженных с применением полимерных материалов, приведены в приложении. Следует иметь ввиду, что наиболее распространенной конструкцией скважин является одноколонная со спуском фильтра на эксплуатационной колонне. Такая конструкция исключает необходимость бурения внутри обсадных труб, что положительно сказывается на герметичности эксплуатационной колонны. Применение разработанных для полимерных колонны ремонтно-восстановительных средств (см. Раздел 5) позволяет поддерживать эксплуатационные характеристики скважин (дебит, удельный дебит) на требуемом уровне.

3.3 Способы соединения полимерных труб

Оборудование скважин возможно с применением сварного или резьбового соединения полимерных труб и фильтров.

Термоконтактная сварка встык производиться с использованием нагревательных плит. Для проведения работ разработана полуавтоматическая установка для сварки полиэтиленовых труб УСВТ-2 /22/, которая крепится к стойке мачты буровой установки. Установка состоит из следующих основных узлов: сварочного, блока питания, нагревательного элемента, торцовочного приспособления.

Сварочный узел включает направляющие с неподвижным зажимом, платформу с подвижными, зажимами, пневмоцилиндр, консоль, узел крепления к буровой установке, редуктор и кран-переключатель.

Блок питания предназначен для подключения к электрической сети и автоматического поддержания температуры нагревательного элемента.

Торцовочное приспособление представляет собой два металлических диска, в прорезях которых закреплены торцующие и фасочные ножи.

При сварке труб нижняя труба зажимается в неподвижный зажим, а верхняя - в подвижные зажимы. Зажатие осуществляется эксцентриковым зажимом и подвижными винтами. Напряжение подается на нагревательный элемент до достижения температуры, установленной на терморегуляторе. При достижении необходимой температуры (для ПНД-2010С) цепь катушки пускателя размыкается. Необходимое усилие осадки и оплавления торцов труб создают пневмоцилиндром (высота валика грата4-5 мм).

По окончании оплавления нагревательный элемент убирается и трубы прижимаются друг к другу с необходимым давлением осадки.

По истечении времени охлаждения (4 мин) раскрывают зажимы и выводят сварочную установку из-за трубы.

Величина давления оплавления и осадки для различных типоразмеров труб (по манометру редуктора) приведена в таблице 20.

Таблица 20

Типоразмер свариваемых труб	Давление оплавления, МПа	Давление осадки, МПа
ПНД110С	1,5	2,0
ПНД110Т	2,0	2,5
ПНД110СТ	2,5	3,0
ПНД140Т	2,5	3,0
ПНД140СТ	3,0	3,5
ПНД160ОС	2,2	2,7
ПНД160Т	3,0	3,5
ПНД160СТ	3,4	4,0

Однако, термоконтактная сварка «встык» находит весьма ограниченное применение при сооружении скважин по следующим причинам:

- большие трудозатраты и продолжительность операций по сверке (в основном из-за времени охлаждения сварного стыка под давлением);

- необходимость центрации свариваемых концов труб и зачистки свариваемых контактных поверхностей;

- уменьшение внутреннего диаметра обсадных труб не - за наличия валика расплавленного полиэтилена («грата»);

- субъективной оценки параметров сварки (температура нагрева и давление при охлаждении стыка) при применении нерегулируемых нагревательных элементов.

В связи с вышеизложенным термоконтактная сварка встык может применяться при сооружении скважин небольшой глубины и при значительных кольцевых зазорах между водоподъемом оборудованием или ремонтно - восстановительными средствами и обсадными трубами в местах сварки.

Не имеют на сегодняшний день производственного внедрения более совершенные способы сварки полиэтиленовых труб с использованием струн термическая сварка и сварка трением.

Способ струнно-термической сварки из термопластичных материалов разработан в ИММС АН БССР (г.Гомель). Способ заключается в прорезании свариваемых изделий металлической струной, нагретой электрическим током. При прорезании изделий нагретой струной происходит проплавление, а затем охлаждение и отвердение материала.

В СКО-2 НИКБООР (г. Свердловск) под руководством Л.Л. Стариковского были выполнены исследования по соединении полиметиленовых труб типа ПНД и муфт 0 125 мм и с толщиной стенки 20 мм с применением термоусаживающихся муфт и струнно-термической сварки /18/.

Муфта представляла собой полиэтиленовую втулку, нагретую до 90-950 С и расширенную на прессе путем заправки ее на дорпа с последующим охлаждением в проточной воде. После охлаждения муфта снималась с дорпа.

Образец соединения представляет собой два отрезка трубы, свободно вставленных в муфту. Муфта нагревается до 80-900С и в результате термоусадок плотно облегает соединяемые концы труб.

Для увеличения герметичности и стойкости к осевым нагрузкам тело труб и муфты проваривается раскаленной проволокой из нихрома.

Результаты испытаний на стойкость к осевому разрывному усилию приведены в таблицах 21 и 22, а на герметичность - в таблице 23.

Таблица 21

№ образца	Длина муфты, мм	Количество сварных швов на І трубу	Осевая нагрузка, т
1	145	3	4,66
2	145	3	5,14
3	150	2	3,14

Таблица 22

№ образца	Количество сварных швов на трубу, шт	Шаг, мм	Осевая нагрузка, т
1	3	15-20	4,65
2	3	15-20	5,14
3	2	20-25	3,14

Примечание: 1. Во всех случаях происходит срез сварных швов на границе «Труба-муфта».

2. Осевая нагрузка приведена в момент разрушения образца.

3. Диаметр струны - 0,7 мм.

Таблица 23

№ образца	Количество швов на 1 трубу, шт	Давление при испытании в течение часа, МПа,	Максимальное давление при испытании, МПа,	Примечание
1 2 3	3 3 2	1 2 2	5 4,5 4,0	Утечка по уплотнению Утечка по муфте -“-

По мнению исследователей, основной недостаток способа связан со сложностью регулирования нагрева струны, т.к. происходит деструкция материала, увеличивающая хрупкость полимера в зоне нагрева. В то же время механическая прочность и герметичность соединений является достаточными для применения способа струнно-термической сварки при сооружении скважин.

Наиболее распространенным способом соединения полиэтиленовых труп типе «СТ» является резьбовое «труба в трубу». Для соединения может быть использована конусная метрическая упорная резьба. Параметры резьбы приведены в приложении. Применение цилиндрической резьбы нежелательно, т.к. при этом увеличиваются трудозатраты на обсадку скважин в связи со сложностью центрирования полиэтиленовых труб, как правило, имею различную кривизну из-за хранения на неподготовленных (негоризонтальных) площадках. Опыт показывает, что применение конусной метрической резьбы в сочетании с герметизирующей смазкой основе полиизобутилена обеспечивает надежность и герметичность резьб, позволяющие использовать трубы типа ПНД 110СТ в скважинах глубиной до 500 м (с последующим цементированием в интервалах неустойчивых пород).

С целью упрочнения и предотвращения муфтовой части резьбы рекомендуется устанавливать в области резьбовых соединений защитные муфты из металла или полиэтиленовых труб большего диаметра, чем диаметр труб эксплуатационной колоны. Конструкции защитных муфт приведены в приложении.

Некоторые данные по результатам испытания защитных муфт приведен в таблице 24.

Таблица 24

Наименование
	шт	%
Всего нарушений Нарушения в откачных скважинах, всего В т.ч.: в трубах ПНД210СТ в трубах РНД110СТ Нарушения в закачных скважинах (ПНД110СТ) Нарушения в соединениях с защитными муфтами Нарушения в соединениях без защитных муфт	27 12 8 4 15 4 23	100 45 30 15 55 15 85

Анализ был выполнен по 200 скважинам, производно выбранных согласно порядка записи в журнале учета геофизических исследований. Количество откачных скважин, оборудованных комбинированной колонной из руб ПНД210СТ (интервал от 0 до 75-95 м) и ПНД110СТ (интервал от 75-95м до 200-270м) - 33 шт. Количество закачных скважин (трубы ПНД110СТ в интервале от 0 до 230-270 м) - 167 шт. Количество скважин без установки защитных муфт- 34 шт, с установкой защитных муфт - 166 шт. Контроль установки металлических защитных муфт производился выполнением индукционного каротажа.

Состояние целостности эксплуатационных колонн из полиэтилена определялось проведением токового каротажа. При этом следует иметь ввиду, что утечка тока не свидетельствует о сообщении в внутрикоконной полости обсадных труб с водоносными горизонтами в заколенном пространств. Может иметь место электрическая связь по межвитковым каналам резьбовых соединений с цементный камнем или водоупорным породами в заколенном пространстве. Гидравлическая связь внутрикоконного пространства с водоносными горизонтами в заклонном пространстве может быть определена только прямыми методами, например, опрессовкой.

Соединение металлопластовых труб производится с использованием резьбовых муфт, конструкция которых приведена в приложении.

Основные характеристики приведены в таблицах 25 и 26.

Таблица 25

Обозначение	Технические условия	Наружный диам. Д, мм	Диам. основания начального	Дли на муф ты; мм	Характеристика Резьб суфты	Масса муфти (1 шт ег)
					Шаг резьбы, мм	высота профиля, мм	угол профиля град.	угол наклона град.
Муфта МПТ89	ТУ01315082	125	95,5	166	5,08	2,5	90	2030/	2,1
Муфта МПТ115	ТУ02002585	160	1)125,7 2)126,8	196	1)6,375 2)5	1)2,9 2)4,399	1)90 2)30	2030/	5,1
Муфта МПТ132	ТУ 95, 66085	168	142,5	196	6,375	2,9	90	2030/	3,9

Таблица 26

№	Наименование показателей	Норма по техническим условиям
		мПТ89	мПТ115	мПТ132
1.	Стойкость к кратковременной разрушающей осевой нагрузке муфтового соединения труб, тонн, не менее	4,0	10,0	5,0
2.	Герметичность муфтового соединения при постоянном давлении в течение часа, мПа, не менее	2,0	3,0	3,0

Условия механической прочности резьбовых соединений полиэтиленовых труб изучалось А.Б.Зубаревым /6/. Им установлено следующее. В порядке возрастания осевого разрывного усилия от 100 до 118% профили резьб для полиэтиленовых труб располагаются следующим образом: треугольный трапецеидальный - упорный. При разрыве ниппеля наиболее нагружены 5-6 витков от большего основания конуса, а при разрыве Муфти опасное сечение проходит по последнему витку зацепления с ниппелем. На технологию применения полиэтиленовых труб с резьбой влияет обнаруженная при исследованиях связь между крутящим моментом Мкр при свинчивании и таким величинами как разрушающая осевая нагрузка, разрушающие напряжение в опасном сечении и деформация соединения (радиальный натяг). Исходя из допустимых деформаций найдена оптимальная область. Мкр =50+-10 кг*м. Существование такой области подтверждено при наблюдениях за релаксационными изменениями Мкр при свинчивании. Установлено, что чем выше начальный Мкр, тем интенсивнее его снижение во времени. Независимо от велечины начального Мкр, если он выше 50 кгм, уже через 2-3 часа он стабилизуется в переделах оптимального уровня.

3.4 Расчет обсадных колони из полимерных материалов

Опыт эксплуатации большого числа скважин, оборудованных полимерными эксплуатационными колоннами, показал, что основной причиной выхода скважин из строя в различных горно-геологических условиях является смятие обсадных труб. В связи с этим была выполнена большая работа по определению предельного наружного сминающего давления в зависимости от геометрических размеров (наружный диаметр и толщина стенки) полиэтиленовых труб. Результаты исследований позволили получить следующую расчетную формулу:

(2)

где: Р см - расчетное сминающее давление, мПа

- коэффициент равный 7,8*10-3

- наибольшее эквивалентное напряжение, равное для полиэтиленовых труб пределу текучести материала при одноосном сжатии, МПа;

- соответственно внутренний и наружный диаметр труб, м;

- толщина стенки труб, м;

- коэффициент запаса прочности, при вероятности 98%.

Негативное влияние избыточного заколонного давления - горного или гидравлического может быть исключено цементированием интервалов обсадных полиэтиленовых колонн в области возможно смятия. При этом в ряде случаев необходимо поддержание избыточного внутрикоконного давления на период ОЗЦ.

Следует иметь ввиду, что оборудование полиэтиленовыми колоннами скважин, работающих в режиме нагнетания, при изменении температуры закачиваемых жидкостей приводит к возникновению в теле осадных труб температурных напряжений. Указанное явление изучалось А.Г.Масленниковым, В.Г.Упоровым, М.И. Ушаковым.

Величина осевой нагрузки за счет изменения температурного режима определяется по следующей формуле:

(3)

где: - осевая нагрузка, возникающая в теле трубы при изменении температуры, кг;

- коэффициент линейного расширения материала труб;

- модуль продольной упругости материала труб;

- площадь поперечного сечения трубы;

- перепад температуры в теле трубы.

Например, перепад температур 15-220С вызывает в теле трубы ПНД110СТ осевые нагрузки в пределах 22-46 км. При длительных нагрузках это может приводить к разрушению участков труб в области резьбовых соединений.

4. ТЕХНОЛОГИЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН

4.1 Основные сведения по проводке ствола скважин в осадочных породах.

Как правило, каждая организация, занимающаяся сооружением скважин на воду, использует технологию проводки стволов, соответствующую применяемому сортаменту обсадных труб и фильтров, отработанным элементам компоновки бурового снаряда, а также с учетом опыта и квалификации бурного персонала.

В Центральном РУ для сооружения водозаборных и технологических скважин глубиной до 700 м в разрезах, представленных песчано - глинистыми породами с включением прослоев известняков и песчаников, применяется следующая технология проводки ствол...