Скважины, Лучевые водозаборы
Возникла необходимость проникнуть в глубь Земли. Для этой цели изобрели буровой станок. Вначале это было примитивное приспособление ударного действия с весьма низкой производительностью. В начале XX века на смену ему пришел буровой станок вращательного действия. Проходя через толщу горных пород, бур выносит на поверхность образцы, по которым определяют состав пород, их водоносность. В настоящее время, как правило, ведут комплексное разведочное бурение, то есть в одной скважине определяют наличие нескольких полезных ископаемых, в том числе и воды. Теперь на помощь гидрологам пришли новейшие достижения науки. Поиск воды ведется геофизическими методами, электрической, сейсмической и нейтронной разведкой. Весьма эффективным признан аэрометод — поиск подземных вод путем фотографирования местности. Обильная растительность в засушливые сезоны, когда кругом уже все засохло, указывает места близкого залегания подземных вод. Это модификация геоботанического метода поиска воды.
Этот принцип в последние годы стали использовать в космической разведке воды. У космической гидрогеологии большое будущее, так как этот метод позволяет обследовать все места, включая и труднодоступные.
Буровая скважина не случайно по своей конструкции напоминает подзорную трубу (рис. 2). Телескопичность ее строения, связанная с требованиями бурения и геологии, позволяет экономить материалы, что особенно важно, когда выработка имеет большую глубину.
Самая нижняя часть скважины служит отстойником, где вода, прежде чем попасть в насос, освобождается от содержащихся в ней мелких частиц. Над отстойником находится водоприемная часть скважины — фильтр. Это именно та дверь, через которую грунтовая вода попадает в рабочую зону скважины.
Еодопотребителю |
7777777777777777^777777777/ |
777777777777777^7777777777, |
Рис. 2. Буровая скважина: 1 — фильтр скважины; 2 — эксплуатационная колонна труб; 3 — колонна обсадных труб; 4 — кондуктор; 5 — затрубная цементация; 6 — устье скважины (оголовок); 7 — павильон (шатер); 8 — насосные (водоподъемные) трубы; 9 — насос с погружным электродвигателем; 10 — отстойник |
Ч |
10 |
Выше водоприемной части скважины располагаются колонны эксплуатационных и обсадных труб, которые, с одной стороны, «обсаживают» скважину, удерживая ее стенки от обрушения, с другой — служат для размещения в них водоподъемных труб и насоса. Над эксплуатационной колонной находится кондуктор. Оправдывая свое название, он каждой проходящей через него при бурении трубе задает точное направление. С наружной стороны кондуктор одевается в цементную или глиняную рубашку-замок, который предотвращает засорение водоносного горизонта от попадания в него с поверхности грязной воды через затрубное пространство обсадных труб (за - трубная цементация).
Самая верхняя часть скважины именуется устьем, иначе — оголовком. Собственно «головой» скважины является установленный над нею павильон (или просто шатер), где монтируется различное механическое и электрическое оборудование (двигатель, приводящий насос в действие, щит управления, контрольно-измерительные приборы и т. п.). В наше время чаще всего оголовок скважины держат «на ключе», так как делать там почти нечего: в большинстве случаев насосы включаются и отключаются автоматически.
Наиболее важной, фактически решающей частью водозаборной скважины является ее фильтр. Существует множество типов фильтров, различающихся конструкцией и материалом.
Основой большинства типов фильтров является каркас. Это может быть либо фильтровая труба с щелями или круглыми отверстиями, либо цилиндрический стержневой корпус, изготовленный из металлических прутков или толстой проволоки. Каркас — это скелет, на него надевается «платье» из фильтрующего материала, который и служит для процеживания воды.
Наиболее трудоемок по устройству гравийный засыпной фильтр. Для его образования необходимо, чтобы диаметр каркаса был меньше диаметра обсадной трубы. Это позволяет в затрубное пространство между ними засыпать сверху гравий и песок, которые и составляют тело фильтра. После засыпки фильтрового материала обсадная труба поднимается вверх, и окружающий скважину естественный грунт водоносного пласта прижимает гравийный фильтр к каркасу.
Вместо засыпки нередко применяют кожуховые или корзин - чатые гравийные фильтры, которые представляют собой кольцевые сетки-корзины с заранее насыпанным в них гравием. Кроме этого, также как в горизонтальных водозаборах, для фильтров скважин все больше применяют новые фильтрующие материалы: полимерные, стекловолокнистые, из пористой керамики, бетона и т. д. Стремление в наибольшей степени механизировать работу по устройству гравийных фильтров от-
2—Вода на вашем >частке крыло путь в водозаборные скважины связующим материалом: кольца фильтра изготавливаются из гравия, зерна которого скреплены друг с другом цементным раствором или синтетическим клеем.
Но напомним, что все это относилось к скважинам, заложенным в мелкозернистых песках. Если же водоприемную часть скважины окружает гравий или хотя бы крупнозернистый песок, то дело обстоит значительно проще. В этих случаях фильтровую трубу или каркас одевают сверху проволочной сеткой или просто обвивают проволокой. Размеры ячеек, через которые должна течь вода, выбираются в зависимости от гранулометрического состава окружающего скважину грунта. Кстати, опыт работы именно таких фильтров показывает, что сама природа поставляет нам конструкторские идеи. Дело в том, что в первые минуты откачки воды из скважины, оборудованной сетчатым фильтром, происходит вынос из грунта мелких частиц. Остальные, как по команде, выстраиваются по схеме «обратного фильтра»: ближе к скважине оказывается крупный гравий, за ним устанавливаются слои более мелкого грунта. Это обеспечивает механическую прочность всей при - скважинной зоны (см. рис. 10).
Для сеток и обмоток фильтров используют проволоку из нержавеющей стали, латуни, перхлорвинила, а иногда — из мельхиора и серебра. В годы войны советские саперы обнаружили в старых немецких скважинах даже фарфоровые фильтры.
Но зачем зарывать в землю столь дорогие материалы? Их применение вызвано необходимостью бороться с одним из самых могучих и вездесущих явлений на нашей планете — процессом окисления. В воде всегда, в большем или меньшем количестве, содержится растворенный кислород. Из-за него (а также азота, хлора, калия, магния и прочих элементов и их соединений) фильтры скважин часто не выдерживают и двух-трех лет эксплуатации — проволока и стержни ржавеют, становятся тонкими и прорываются.
Окислительно-восстановительные реакции, с одной стороны, разрушают фильтры, а с другой — приводят к закупориванию его водоприемных отверстий, или, как говорят, к «зарастанию». Продукты распада — окиси, соли постоянно откладываются на поверхности фильтров. К ним неизбежно присоединяются глинистые частицы, выпадающие из воды, обволакивающие малейшие неровности. Не отстают от них и различные водные бактерии, которые тоже стараются зацепиться за проволоку фильтров и разрастись в целые колонии. Все это вместе часто образует плотную и толстую пленку, иногда почти полностью закупоривающую водоприемную поверхность скважин.
С закупоркой фильтров ведут борьбу химическими, механическими и физическими методами. Например, промывают их 10-15%-ным раствором соляной кислоты, которую под давлением закачивают в скважину. Раствор соляной кислоты растворяет соли, наросшие на фильтре, и вымывает их на поверхность. Механический способ предусматривает очистку фильтров различными проволочными щетками, «ершами», скребками, которыми обычно чистят трубы вообще. Сюда же следует отнести и гидродинамический способ: на поверхность воды в скважине сбрасывают тяжелую цилиндрическую болванку, ударная волна через воду передается на поверхность фильтра и сотрясает слои засорения, который откалывается, как штукатурка со стены.
Очень часто для очистки фильтров водяных скважин применяют так называемое торпедирование. В данном случае роль торпеды играет простой детонирующий шнур или небольшой пороховой заряд-хлопушка. Взрывная волна передается через воду фильтру, и он очищается.
Проник в область очистки скважин и такой универсальный очиститель, как ультразвук. Он снимает накипь в паровых котлах и паропроводах, очищает турбины электростанций и даже стирает белье. По инициативе сотрудника Всесоюзного научно-исследовательского института подземных сооружений А. Б. Мещанского ультразвук начинает успешно применяться и для очистки водяных скважин.
Пройдя фильтр и заполнив скважину, грунтовая вода попадает в водоподъемник — основу всего водозабора. Принцип действия любого насоса базируется на стремлении нарушить фундаментальный закон гидродинамики: принцип неразрывности потока. Насос пытается разрушить сплошность текущей жидкости, оторвать одну ее часть от другой. Но это, конечно, невозможно: не закрепленная ничем щель или отверстие в воде существовать не может, она «заплывает» уже в момент своего образования.
Единственное, что может насос — это немного «растянуть» жидкость, проредить ее, ослабить связи между частицами. Отражается это на понижении давления в потоке, т. е. на возникновении вакуума. На поверхность воды давит воздух с силой, равной атмосферному давлению. А в ближайшей к насосу зоне давление более низкое. Поэтому, в соответствии с известным законом сообщающихся сосудов, вода устремляется по всасывающей трубе к насосу, а он перебрасывает ее в противоположную сторону «на выход», в так называемый напорный патрубок. В нем, благодаря действию насоса, создается напор, выталкивающий воду в водоотводной трубопровод.
С какой же силой засасывается вода в рабочую полость насоса, велика ли она? Еще Эванджелиста Торричели в 1643 г. установил, что в идеальных условиях эта величина равна 10 м водяного столба. Практически же насос может засосать воду только с глубины 6-8 м, а то и меньше. Это и есть его всасывающая способность. Но как же быть, если глубина воды в скважине больше этой величины? Приходится опускать рабочий орган насоса вниз, погружать его под уровень воды. Но об этом ниже.
Простейший из насосов, пришедший в водоснабжение от традиционной нефтяной качалки — это поршневой штанговый насос объемного действия. Устройство его необычайно просто и напоминает черпание воды ведром из колодца. Поршень насоса — цилиндрический стальной стакан с круглым донным отверстием, где установлен шарик-клапан. Когда стакан падает вниз, клапан открыт и вода поступает через отверстие в стакан; когда он поднимается, шарик прижимается водой к отверстию и закрывает его. Поступательно-возвратное движение поршню сообщает длинная стальная штанга, приводимая в действие балансиром — устройством, очень похожим на обычный колодезный «журавль».
2-4
Однако чаще всего для откачки подземной воды применяются лопастные центробежные насосы, которые удается легче всех других электрифицировать. Представим себе колесо, которое вращается на валу двигателя и имеет радиальные плоскости-лопатки. Помещенное в металлический кожух-корпус насоса, такое колесо загребает притекающую к нему воду и отбрасывает ее в сторону, к напорному патрубку. С противоположной стороны рабочего колеса — там, где отбирается вода —в результате действия центробежных сил создается разрежение, вакуум, куда и засасывается вода из скважины.
Если у поршневых штанговых насосов длинные «руки»- штанги, которые позволяют загребать воду на большой глубине, то с центробежными насосами дело обстоит сложнее. Увеличить их высоту всасывания невозможно, она ограничена величиной «торричелиевой пустоты». Поэтому в последние два десятилетия широкое распространение получили глубинные насосы, корпус которых погружается в воду. Сначала конструкторы опустили в скважину только сам насос, а двигатель, который боится влаги, оставили на поверхности земли. Передача вращения посредством длинного стального вала оказалась неудобной, громоздкой и требовала строгой вертикальности и прямолинейности скважин. Тогда был сконструирован центробежный насос с погружным электродвигателем. Заключенный в герметичный корпус, такой насосный агрегат позволяет надежно вести откачку воды даже с 500-метровой глубины.
Часто при пробной и опытной откачке воды из скважины применяется эрлифт. Название говорит само за себя. В скважину от компрессора по трубе подается под давлением сжатый воздух. Его пузырьки насыщают воду и образуют водо-воздушную смесь, которая, благодаря своей легкости, поднимается вверх. На поверхности она изливается в сбросную трубу или лоток, где воздух улетучивается, а вода остается. Таким образом, воздух («эр») здесь служит своеобразным «лифтом», который поднимает воду на нужную высоту.
Существует и множество других типов водоподъемников, отличающихся принципом работы, конструкцией рабочего ор - гана, материалом, приводом и т. п. Например, находят применение винтовые насосы, работающие по принципу шнека. В сельском хозяйстве используются ленточные или ячеисто - ленточные водоподъемники, в которых металлическая или резиновая лента при движении вверх поднимает воду в своих ячейках и выливает ее в желоб. Интересны и водоструйные насосы (гидроэлеваторы), работающие по принципу пульверизатора — здесь эжекционный эффект создается струей воды, подаваемой под напором сверху и увлекающей воду из скважины.
Конструкция скважины непосредственно связана со способом ее устройства. В бурении на воду, часто соперничая друг с другом, господствуют два способа: ударный и вращательный, принципиально отличающиеся друг от друга.
Ударно-канатное бурение, например, заключается в том, что горные породы в забое скважины разрушают ударным воздействием сбрасываемого сверху рабочего бурового инструмента. По форме он напоминает обычное плотничье долото. Плоская болванка, имеющая заостренную нижнюю кромку, вместе с надетой на нее сверху тяжелой ударной штангой опускается в скважину на канате (отсюда название) и совершает удары по забою, каждый раз поворачиваясь вокруг своей оси на некоторый угол. Это последнее и обеспечивает круглую форму выработки. Рабочий буровой инструмент испытывает большую нагрузку и сильно изнашивается. Его часто приходится ремонтировать или заменять новым. В старину среди русских буровиков была распространена даже такая поговорка, которую приводит в своем словаре В. Даль: «Бур не стоит, тупится — подварить ему надо кудри, поправить в кузне». В процессе ударно-канатного бурения в скважину периодически подливают воду, она охлаждает долото и, смешиваясь с частицами разрушенной породы, образует шлам, который в дальнейшем извлекается с помощью желонки — специального подъемного металлического стакана. Если проходка скважины ведется в рыхлом песчаном или гравелистом грунте, который неустойчив и осыпается, то бурение осуществляется через колонну обсадных труб.
Основным элементом станка ударно-канатного бурения является балансир — стальная или деревянная балка, к одному концу которой прикреплен бурильный канат, а другой подсоединен к шатуну и кривошипу вала двигателя. Посредине своей длины балансир с помощью шарнира закрепляется на опорной стойке, и, когда шатунно-кривошипный механизм приводится в действие, он начинает качаться, а ударная штанга с долотом — «клевать» забой скважины (все та же насосная качалка, или колодезный журавель). Вместо каната для подвески ударного инструмента иногда используются буровые штанги — тогда бурение называют ударно-штанговым.
При вращательном роторном способе бурения двигатель, установленный на поверхности, посредством ротора — массивного стального кольца, соединенного с ним — передает вращение находящемуся на забое долоту через колонну опущенных в скважину бурильных труб-штанг. В процессе бурения по бурильным трубам на забой непрерывно подается сверху глинистый раствор. Он охлаждает долото, и, захватывая выбуренные частицы породы, поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины. Таким образом, происходит постоянная очистка забоя. На этом роль глинистого раствора не ограничивается — в рыхлом грунте он проникает в поры, связывает друг с другом песчаные зерна и образует глиняную корку, закрепляющую стенки скважины и не дающую ей обрушиться. Однако это имеет и существенную отрицательную сторону: закупоривая водоприемную поверхность, глинистый раствор приводит снижению водозахватной способности водозабора — приходится затрачивать довольно много времени и средств, чтобы очистить скважину, разглинизировать ее стенки. Вот почему роторное бурение, хотя и эффективнее ударно-канатного, в маломощных водоносных пластах может и обеспечить подачу воды из скважины в нужном количестве. В последнее время появились предложения заменить глинистый раствор другим (например, известковым) — таким, который легко бы растворялся и вымывался при промывке скважины. Это может значительно расширить область применения вращательного бурения при устройстве подземных водозаборов.
С каждым годом все большее распространение получает способ вращательного бурения водозаборных скважин с обратной промывкой. Смысл его заключается в том, что, в отличие от описанной выше промывки забоя скважин с прямой подачей глинистого раствора по бурильным трубам, здесь, наоборот, раствор (а теперь, чаще всего, просто вода) подается в кольцевое пространство между стенками скважин и колонной буровых труб. Поток поступающей воды (раствора) удерживает скважину от обрушения, смешивается на забое с выбуренным грунтом и по буровым трубам всасывается наверх. Отсюда второе название этого способа — всасывающее бурение. Благодаря такой промывке забоя, скорость восходящего потока в буровой колонне не зависит от диаметра скважины, поэтому она может быть достаточно большой, что позволяет выносить куски породы значительных размеров, а следовательно, вести проходку скважин намного большего диаметра, чем при прямой промывке.