Эти элементы конструкции водозаборной скважины в основном зависят от глубины залегания кровли водоносного горизонта, состава покрывающих его пород, принятого эксплуатационного диаметра скважины и способов ее бурения.
Количество колонн обсадных труб и глубина их спуска имеют большое значение для обеспечения технической и санитарной надежности водозаборной скважины во время ее эксплуатации. При правильном креплении скважины обсадными трубами удлиняется срок ее службы и обеспечивается постоянство состава откачиваемой воды.
При бурении нарушается естественная защищенность водоносного горизонта, так как облегчается проникновение в него поверхностных вод и вод из вышележащих водоносных слоев по затрубным и межтрубным пространствам скважин, поэтому крепление скважины обсадными трубами должно устранить проникновение указанных вод в скважину и в водоносный горизонт. Эта задача решается различно в зависимости от мощности и состава пород, покрывающих намеченный к использованию водоносный горизонт, а также от способа бурения.
При ударном способе бурения среднюю величину выхода каждой колонны можно принимать в пределах 25—30 м, в зависимости от ее диаметра. Следует иметь в виду, что даже при особо благоприятных условиях, например при бурении скважин в породах, одинаковых по составу, устойчивых по сложению и легко проходимых по категории буримости, выход отдельной колонны диаметром 203—255 мм редко может достигать 60 м и лишь в исключительных случаях превышать 70 м (как, например, в г. Харькове при проходке мелов или в Краснодарском крае при проходке лёссовидных суглинков).
Для однообразных толщ выход колонны увеличивается, а при частом переслаивании пород различного литологического состава, особенно при чередовании рыхлых и связных пород, он резко уменьшается.
При проектировании конструкции скважины необходимо предусматривать внедрение башмака каждой колонны труб в водоупорные породы, за исключением последней эксплуатационной колонны, башмак которой должен входить в водоносную породу на 1—3 м ниже водоупорной кровли. Эти требования обусловливаются следующими обстоятельствами.
- 1. При переходе на бурение другого диаметра в водоносной породе, особенно в мелкозернистых песках, обладающих свойствами плывунов, часто возникают явления «спаривания» колонн обсадных труб в результате заклинивания их мелкими частицами породы. Избежать этого довольно трудно, поэтому, если необходимо менять диаметр именно в рыхлых водоносных породах, при проектировании конструкции скважины следует (даже при наличии колонн с обточенными муфтами) предусматривать переход не на очередной диаметр, а через один диаметр (например, с 305 мм переходить не на 255 мм, а на 203 мм). Таким образом, начальный диаметр скважины нужно намечать на один диаметр больше.
- 2. Пьезометрический уровень воды напорного водоносного горизонта часто находится ниже уровня воды вышележащих водоносных слоев. При эксплуатации скважины разность этих уровней становится еще больше, в результате чего в затрубном пространстве создаются условия для движения воды сверху вниз. Это происходит при неплотном сопряжении стенок обсадных труб с окружающими глинистыми породами или при наличии небольших трещин в глинах, образовавшихся во время бурения. В процессе эксплуатации скважины вследствие размыва глин в затрубных пространствах образуются полости, открытые или заполненные песком, через которые в приемную часть скважины проникают воды из вышележащих отложений. Эти воды бывают загрязнены или в их составе содержатся вещества (например, железо), ухудшающие качество воды в скважине, поэтому колонны обсадных труб должны быть забиты в глины возможно более плотно.
Когда скважиной намечено вскрыть напорный водоносный горизонт, в кровле которого залегает толща водоупорных глин мощностью 5—10 м и более, то при ударном способе бурения крепить скважину нужно не менее чем двумя колоннами обсадных труб. Одна из них должна быть забита в глину на 3—5 м и более ниже ее кровли, а вторая должна войти в породы водоносного горизонта (рис.39).
Если кровля глин, покрывающих водоносный горизонт, залегает глубже возможного предела выхода обсадной колонны, то в проекте необходимо предусматривать спуск еще одной-двух колонн обсадных труб. Эти колонны желательно также останавливать в слоях вышележащих глин.
Для экономии обсадных труб или увеличения эксплуатационного диаметра скважины внутренние колонны иногда опускают «впотай», т. е. не выводят их на поверхность земли. Это достигается отвинчиванием колонн, опущенных с переводником с левой нарезкой, установленным заранее на определенной глубине, или вырезкой труб. Это усложняет конструкцию скважины, кроме того, в кольцевой зазор между вырезанной и предыдущей колонной могут проникать воды или рыхлые горные породы, находящиеся в затрубном пространстве скважины (рис. 40). В кольцевом зазоре между обсадными колоннами при этом следует предусматривать устройство сальника. Обсадная колонна, опущенная «впотай», в предыдущую колонну должна заходить не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при большей ее глубине.
При отсутствии в породах, покрывающих водоносный горизонт, достаточно мощных прослоев глин, в которые можно плотно забить обсадные трубы, скважины трудно предохранить от загрязнения, так как нельзя исключить проникновение грунтовых и других находящихся выше вод по затрубному пространству. Поэтому необходимо выбирать место для бурения с наиболее благоприятными санитарными условиями.
Если породы кровли водоносного горизонта представлены скальными или полускальными разностями (известняками, песчаниками, аргиллитами, мергелями и т. д.), затрубное пространство рекомендуется заливать цементом сверху, так как между стенками скважины и обсадными трубами образуются свободные пространства.
Грунтовые воды часто характеризуются способностью интенсивно корродировать обсадные трубы вследствие наличия в них растворенного кислорода, свободной углекислоты и т. п. Эта способность особенно свойственна загрязненным грунтовым водам, имеющим кислую реакцию. Под влиянием коррозирующего действия таких вод в обсадных трубах образуются каверны, через которые загрязненные грунтовые воды проникают в ствол скважины. Иногда через эти каверны в скважину проникают также и водоносные пески, в результате скважина выходит из строя. Иногда сквозные каверны в обсадных трубах образовывались через несколько месяцев после сооружения скважины.
Наиболее часто каверны образуются в зоне, в пределах которой изменяется уровень грунтовых вод, так как здесь обсадные трубы находятся в условиях переменного смачивания и окисления. Для увеличения срока работы скважины необходимо крепить ее верхнюю часть, подвергающуюся воздействию грунтовых вод, двумя колоннами труб. Кроме того, следует рекомендовать также межтрубное цементирование между первой и второй колоннами; при этом ширина кольцевого зазора должна быть не менее 50 мм.
Крепление артезианских скважин одной колонной обсадных труб можно допускать только тогда, когда проектируется роторное бурение и затрубное цементирование колонны от башмака до устья.
При использовании грунтовых вод, не перекрытых водоупорными породами, труднее изолировать ствол скважины от проникновения в него поверхностных вод, особенно если водоносны трещиноватые скальные породы. Если эти породы покрыты слоем глины и суглинка мощностью 2—5 м, то следует пройти шурф до кровли скальных пород, а после окончания бурения скважины тщательно затрамбовать его чистой жирной глиной (рис. 41). Этим достигается плотное сопряжение стенки обсадной трубы с окружающими водоупорными породами. При отсутствии в начале разреза глин или суглинков затрубное пространство обсадной - трубы нужно зацементировать.
Существующая практика полного извлечения обсадных труб из таких скважин и оставление в них одной фильтровой колонны недопустима по санитарным условиям. На рис. 42 показаны примеры правильной (а) и неправильной (б) конструкций стволов скважин, использующих грунтовые воды песчаных пород.
При бурении скважин в районах со сложными или слабо изученными гидрогеологическими условиями, особенно когда водоносный горизонт ожидается на большой глубине, рекомендуется исходить не из требуемых конечного и эксплуатационного диаметров, а принимать конструкцию с начальным диаметром на один диаметр больше (например, вместо 377 мм принимать 426 мм и т. д.).
Опыт показывает, что в таких условиях запроектированные диаметры скважин часто не удается сохранять из-за различных причин: встречи слоя твердой породы, крупных валунов, неустойчивых песков, дающих в скважинах пробку и т. д.
При роторном способе бурения конструкции неглубоких (до 100 м) скважин могут быть проще, чем при ударном способе. Это обусловлено тем, что выход одной обсадной колонны значительно больше, чем при ударном бурении. Кроме того, оборудование для роторного бурения рассчитано на цементирование затрубных пространств обсадных колонн.
Скважины при бурении роторным способом в зависимости от их глубины могут иметь следующие конструкции.
Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения.
Белицкий А.С., Дубровский В.В., Издательство "Недра", 1968