УДК 628.11 Источники водоснабжения. Забор, захват воды. Водозаборные (каптажные, водоприемные) сооружения в целом
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Подземные воды широко используются в системе водоснабжения Пензенской области, в структуре общего водопользования в области, на долю подземных вод приходится порядка 70%. Для более эффективного и рационального использования артезианских вод необходимо совершенствовать технологию и конструкцию водозаборных трубчатых колодцев. Одно из важных направлений в развитии ресурсосберегающей технологии и снижения себестоимости добычи воды является строительство и внедрение бесфильтровых скважин. Такие скважины в отличие от фильтровых не требуют затрат на выполнение дорогостоящих мероприятий: оборудования необходимым типом фильтра, устранения, в процессе эксплуатации, химического зарастания, причин заиливания, замены фильтра и т. д. Эти негативные факторы, в конечном счете, также сильно влияют и на срок эксплуатации фильтровых скважин, что ограничиваются 5…8 годами. Для бесфильтровых скважин эксплуатационный срок ограничивается сроком коррозийного разрушения обсадных труб. Как практика показывает, такие скважины работают 25…35 лет и более. При выборе и целесообразности строительство артскважины той или иной конструкции, бесфильтровые скважины являются приоритетными. Низкая себестоимость добычи воды у таких скважин достигается за счет исключения затрат на обустройства фильтра, увеличение дебита не менее чем в 2…5 раза, снижение эксплуатационных расходов и увеличение срока службы, как показывает практика, до 5 раз
бесфильтровая артскважина, устойчивость кровли водоноса, изоляция водоносного горизонта, закрепление башмака, вскрытие водоноса, гидростатический напор, обратный фильтр
На территории области подземные воды распространены повсеместно и являются основным источником водоснабжения Сурско-Хоперского артезианского бассейна. Наиболее мощные водоносные горизонты, содержащие пресные воды приурочены к породам сызранской свиты (палеогеновая система), меловой системы, отложениями среднего отдела карбона (каменноугольной системы) и верхнего девона. Отложения средне- и верхнего девона и каменноугольной системы представлены водосодержащими породами – известняками, доломитами, мергелями, песчаниками и переслаивающими водоупорными глинами. Палеогеновый комплекс представлен водоносными горизонтами также из устойчивых пород – нижнесызранских опок, верхнесызранских глауконитовых песчаников, царицынских опок и песчаников, редко встречающимися саратовским кварцевым песком с подчиненными им песчаниками [1]. При заложении трубчатых колодцев с этих водоносных горизонтов, представленными устойчивыми водовменяющими породами, не требуется устройства фильтров. Преобладающим источником подземного водоснабжения являются верхне- и нижнемеловые отложения с широким спектром (порядка 10 ярусов) водоносных горизонтов, которые распространены также повсеместно на территории области в различных геологических и гидрогеологических условиях. По литологическому составу и степени обводненности они весьма неоднородны. Если Маастрихтский ярус верхнего мела представлен водовмещающими породами из мергеля и мела, то водоносные горизонты (кампанский, сантонский, сенеманский) и из нижнего (мела-альбский, аптский, западнее р. Суры) – в основном мелко и среднезернистыми песками [1]. Дебиты скважин с этих горизонтов колеблется от 1 до 14 л/с. Такое различие в дебитах скважины определяется, главным образом, их конструкцией. Наибольшим дебитом обладают скважины бесфильтровой конструкции [1].
Значительное количество артскважин обустроены и обустраиваются именно на этих водоносных горизонтах. Дальнейшее усовершенствование технологии бурения бесфильтровых скважин является важным направлением в достижении экономической эффективности капвложений для целей водоснабжения населенных пунктов области. Очевидно, что по сравнительным расчетам экономической эффективности бесфильтровые скважины обладают более высокой экономичностью. Тем не менее, в нынешних, современных условиях существует ряд проблем сдерживающие фактор широкого внедрения бесфильтровых трубчатых колодцев для забора воды из подземных источников водоснабжения. Так например, ранее изданная справочная литература в нашей стране не переиздается с обновленными данными научно-практических достижений в той или иной области, уже многие года. Существует кадровая проблема, прежняя школа наставничества и преемственности профессий, ныне прервана.
Тогда были мастера-буровики, освоившие технологию бурения бесфильтровых скважин на высоком профессиональном уровне. Большинство скважин, сооруженные в 70–80‑х годах прошлого века, работают до сих пор. Мастер-буровик, опытный наставник, и новатор Василий Иванович Наумов в совершенстве освоил технологию бурения бесфильтровых скважин на территории Пензенской области. Почетный строитель (1979), заслуженный мелиоратор РСФСР (1988), ветеран труда (1988), награжден орденом Трудового Красного Знамени (1976), медалью «За трудовую доблесть» (1971). При проектировании разведочно-эксплуатационных скважин на воду проектными организациями не прорабатывается раздел бесфильтровых скважин в виду отсутствия у них достаточной и необходимой справочной литературы и опыта проектирования. Безусловно, также требуется решать ряд теоретических, исследовательских и организационных вопросов. Ранее проблемы находились в ведении профильных ведомств в едином отраслевом пространстве, где были соответствующие специалисты: отделы по внедрению научно-технического прогресса (НТП), изобретения и рационализации, НИС, и они успешно решались. А ныне существующая региональная административно-управленческая структура еще не выработала рациональную организационную политику в современных условиях, позволяющую объединить в единую русло всех участников с различными организационно-правовыми формами для профессионального и эффективного решения проблем подземного водоснабжения качественной питьевой водой населения области. Отсутствие научно обоснованной региональной концепции развития прогрессивной системы водоснабжения, в том числе и из подземных источников, только усугубляет остроту проблем. И неудивительно, что эти наукоемкие и сложно-организационные вопросы ныне возложены на сельские администрации. При таком анахронизме в системе управления и речи быть не может о совершенствовании или внедрении какой-либо прогрессивной и эффективной технологии. Поэтому они остаются нерешенными как на стадии проектирования и строительства, так и в процессе эксплуатации. Цель исследования заключается в дополнении к теоретическим обоснованиям строительства и эксплуатации бесфильтровых скважин, освещенных в справочной и технической литературе, проверенными на практике данными. Расширенная область применения результатов практических исследований технологии бурения бесфильтровых скважин: формирование водоприемных воронок методом сопряжения башмака колонны с кровлей водоноса, вскрытие пласта (кровли) и метода стабилизации водопритока. Результаты исследования и их обсуждения. Как свидетельствует 45‑летняя эксплуатационная практика на территории Пензенской области, бесфильтровые скважины не пескуются и надежно работают, если они имеют прочную кровлю, плотную затрубную и межтрубную цементацию и постоянный отбор воды, ни в коем случае не превышающую установленного дебита (производительность насоса должна быть на 15…20% меньше дебита скважины).
Абсолютное большинство трубчатых колодцев, построенных на песчаных водоносных горизонтах, ни разу не запесковались и не ремонтировались. Это лишний раз подтверждает долговечность их работы. В отличие от скважин, оборудованных фильтрами и построенных в тех же гидрогеологических условиях, бесфильтровые скважины позволяют получать из пластов с рыхлыми породами бóльшие дебиты. Они имеют меньшую металлоемкость, повышенную надежность в работе, большую долговечность. Вопросы строительства и эксплуатации, а также теоретические основы отбора воды из водоносных горизонтов в последние десятилетия освещены в ряде журнальных научных статей, специальной справочной и технической литературе. Но эти публикации недостаточно полно отражают такие водозаборы, изданы небольшим тиражом, или вмонтированы небольшими разделами в учебную и научную литературу, не полностью подкрепленную данными практики [2–4, 6–8]. Поэтому напрашиваются некоторые уточнения по результатам эксплуатации более 3 тысяч скважин бесфильтровой конструкции, сооруженных в Пензенской области. Многие авторы склонны не замечать одной очень важной технологической особенности устройства бесфильтрового трубного колодца: конструкции в зоне сопряжения башмака эксплуатационной колонны с самой верхней частью кровли эксплуатационного водоносного горизонта [2–4, 6–8].
Для оборудования и эксплуатации бесфильтровых водозаборных скважин, забирающих воду из мелкозернистых, глинистых и пылеватых песков, по меньше мере, необходимы пять условий:
1. Прочная водоупорная кровля.
2. Гидростатический напор, равный не менее 1/2 глубины скважины.
3. Закрепление башмака эксплуатационной колонны без выхода в водоносный слой в верхней части кровли. Вскрытие кровли под эксплуатационную колонну, при этом достаточно 1…2 м. Допускается и большее вскрытие, при мощности кровли более 10 м. Как практика показывает, оптимальное вскрытие кровли водоноса обеспечивается в интервале 20…25% от ее мощности.
4. Надежная изоляция водоносного горизонта от вышерасположенных водоносных слоев, которая достигается не только затрубной и межтрубной изоляцией, но и за счет плотного проникновения башмака колонны в кровлю принудительным вдавливанием.
5. Разбуривание кровли (прокол) при вскрытии водоноса внутри обсадной трубы должно обеспечиваться долотом с меньшим диаметром, не менее чем на 25% от внутреннего диаметра эксплуатационной колонны, т. е. необходимо создать плечо внутри колонны за счет разности диаметров в зоне сопряжения башмака с кровлей (рис. 1). Как показывают результаты пробных откачек воды – такие скважины быстро прокачиваются без больших выносов песка. При вскрытии водоносного горизонта буровым инструментом врезка в песчаный пласт должна быть самой минимальной (2…3 м). Установлено, что чем меньше глубина проходки в пласт, тем меньше выносится песок из водоносного слоя, тем короче и полноценнее строительная откачка. Во всяком случае, выпуск башмака эксплуатационной колонны в водоносный слой недопустим, хотя некоторыми авторами [2, 6–8] он необоснованно допускается до 0,5 м и более, аргументируя склонность глин к набуханию и пучению. В присутствии воды произойдет выпор стенок скважин и прекращение подачи воды. При этом авторы упускают из виду важный момент технологического процесса – формирование сопряжения ствола прокола 8 (см. рис. 1) с водоносом за счет соответствующих буро-технических мероприятий. Следует также отметить, что при выпуске башмака эксплуатационной колонны труб в водоносный слой невозможно выполнить мероприятия по затрубной цементации, а это, в свою очередь, приведет к контурной фильтрации с транспортировкой пород в основной водонос. С.К. Абрамов и В.С. Алексеев отмечают слишком большой объем выносимого песка из каверн при откачках (до 200 м3 и более) и суть основного технологического требования этих скважин в создании каверн таких размеров, которые обеспечивают устойчивый водоприток без пескования [4]. По данным практики неточности здесь таковы: если просматривается очень большой вынос пород при откачке воды, то либо не обеспечена надежная затрубная цементация и имеет место подвижка песков из вышерасположенных одного или нескольких водоносных слоев вниз по затрубному кольцевому пространству, либо низ эксплуатационной колонны труб выпущен в водоносный горизонт. Поэтому построенные технологически правильно бесфильтровые скважины прокачиваются сравнительно быстро, выносят мало породы и имеют в основном воронки глубиной не более 0,5…2,5 м.
В то же время очень правильно отмечается:
● незначительное влияние размера частиц на формирование каверны;
● радиус каверны у кровли водоносного слоя мало влияет на дебит;
● глубина каверны увеличивается по мере роста радиуса;
● водоприток в основном зависит от характера откоса и глубины каверны;
● устойчивость кровли имеет очень большое значение при расчете водоприемной воронки.
В дополнение к этому нельзя не отметить, что во время откачки, организуемой при нескольких водопонижениях, формируются водоприемные полости (воронки), как правило, небольших размеров, наиболее близко возможно приближающиеся к форме шарового сегмента, с естественно образующимся своего рода фильтром на его поверхности (обратный фильтр). Вывод подтверждается также тем, что большинство водосодержащих пластов Сурско-Хоперского артезианского бассейна отличаются большой неоднородностью слагающих их частиц, просматриваемой в конусах выноса при строительных откачках и эксплуатационных прокачках. Оседаемые во время откачек на сферической поверхности полости более крупные частицы водосодержащей породы образуют обратный естественный фильтр, стабилизирующий работу воронок. Известно, что разработку подкровельных водоприемных частей целесообразнее осуществлять эрлифтными установками, хотя для этого можно применять и иные технические средства (погружные насосы, обратную промывку с помощью грязевых насосов бурустановок через бурильные трубы, желонирование и др.) При этом, в зависимости от крупности водовмещающего песка, маноментрического напора, условий герметизации водоносного слоя от других водоносных горизонтов, вида кровли, мощности компрессорной установки, соотношения диаметров и глубин опускания водоподъемных и воздушных труб, продолжительность строительных откачек, необходимых для создания подкровельного водоприемного пространства, будет различной [1]. Прокачка скважины преследует одну цель – восстановить водоприток, повысить эксплуатационную надежность, уточнить водоотдачу вскрытого пласта и по возможности увеличить производительность колодца. Прокачка бесфильтровой скважины с помощью эрлифтной установки в с. Баранчеевка, Спасского района, Пензенской области осуществлялась в 2 понижениях с дебитом скважины 10 м3 /ч. Пробно-эксплуатационная и опытная откачка являются самостоятельными операциями и проводятся в основном при опробовании вновь вводимой в эксплуатацию скважины. По результатам первой – выбирают оборудование для опытной откачки и определяют ее режим работы, по результатам второй – определяют дебит скважины, радиус влияния, связь с поверхностными и грунтовыми водами, смежными водоносными горизонтами и близрасположенными колодцами. Откачки проводятся при 2…3 понижениях. Их продолжительность при соблюдении проектных данных технических условий и технологических требований не должны быть длительными (более 3 сут) даже при отборе воды из мелкозернистых песков. Откачки, продолжающиеся более 3 сут, как правило, свидетельствуют о допущенных проектных или производственных ошибках во время бурения или восстановления колодца, о которых вкратце сказано выше. Отводимое некоторыми авторами время на откачку в 5…7 сут либо завышено, либо неоправданно ориентировано на разработку очень больших воронок (с помощью выпусков рабочих колонн в водоносный слой и несовершенных цементировок околотрубных кольцевых кровельных пространств). На рис. 2 приведено схематическое геолого-техническое изображение конструкции бесфильтровой артезианской скважины в песчаном водоносном горизонте, пробуренной в 2015 г. для растворо-бетонного узла турецкой компании ООО «Озгюр Бетон» в селе Кижеватово, Бессоновского района Пензенской области. Производительность скважины 25 м3 /ч. Общая глубина скважины 91 м. Кондуктор d=325 мм – 12 м. Рабочая колонна d=219×8 мм – 71 м, глубина до водоноса 88 м, длина прокола 17 м. Вскрытие кровли водоноса (прокол) производилось 3‑шарошечным долотом d = 132 мм, а вскрытие водоносного горизонта тем же буровым инструментам (врезка в песчаный пласт) на глубине до 3 м. Разработка подкровельной водоприемной части осуществлялась обратной промывкой грязевым насосом НБ‑32 через бурильные трубы с последующей прокачкой погружным насосом ЭЦВ. Вынос песка был незначительным, в основном пылеватые. Через сутки прокачки достигнуто полное осветление воды. В целях стабилизации параметров скважины откачка продолжалась до 3 сут в двух понижениях.
Выводы 1. Бесфильтровые скважины с водозабором из песчаных пород надежно работают без пескования, если обеспечена должная изоляция от вышерасположенных грунтовых и межпластовых вод. Многие сотни скважин функционируют по 25…35 лет без ремонта и дополнительных прокачек по удалению возможных песчаных отложений в водоприемных полостях и стволах колодцев. 2. Наличие прочной водоупорной кровли. Закрепление башмака эксплуатационной колонны не с выходом в водоносный слой, а в верхней части кровли, на глубине не более 25% от ее мощности, разбуриваемой затем долотом с меньшим диаметром внутри обсадной колонны до водоносного горизонта с минимальной врезкой (2…3 м) в песчаный пласт. 3. Наличие гидростатического напора, равного не менее 1/2 глубины скважины. 4. Производительность насосов в бесфильтровых скважинах должна быть на 15…20 % меньше дебита, установленного во время пробной откачки. 5. Создание стабильного режима работы насосно-силового агрегата установкой автоматической станции управления. 6. Размеры подкровельных водоприемных систем в скважинах, фильтрующая часть которых надежно изолирована от других водоносных горизонтов, незначительны и исчисляются, как правило, кубометрами, а не сотнями кубометров. В таких скважинах быстро достигается нормальный эксплуатационный режим с дебитом до 10 л/с и более.
1. Водоснабжение из подземных источников / А.С. Ивушкин, И.М. Крышов, К.К. Кантеев, И.А. Каледа. Пенза, 1995. С. 41–71, 175–183.
2. Дубровский В.В. Справочник по бурению и оборудованию скважин на воду. М.: Недра, 1972. 378 с.
3. Максимов В.М. Справочное руководство гидрогеолога. Т. 2. Ленинград: Недра, 1979. С. 201–205.
4. Абрамов С.К., Алексеев В.С. Забор воды из подземного источника. М.: Колос, 1980. Глава VI.
5. Ивушкин А.С. Опыт строительства бесфильтровых скважин // Гидротехника и мелиорация. 1967. № 4. С. 57–65.
6. Володин Ю.И. Основы бурения. М.: Недра, 1978. 308 с.
7. Методическое руководство по проектированию, сооружению и эксплуатации бесфильтровых скважин в песчаных породах. Минск: Полымя, 1981. 34 с.
8. Справочник по бурению скважин на воду / Д.Н. Башкатов, С.С. Сулашкин, С.Л. Драхлин, Г.П. Квашнин. М.: Недра, 1979. С. 472–473.
