Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Сооружение, освоение и эксплуатация скважин большого диаметра для сельскохозяйственного водоснабжения и дренажа

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора технических наук, Ткаченко, Валентина Петровна, Киев

У

/

УКРАИНСКАЯ АКАДЕМИЯ АГРАРНЫХ НАУК

ТКЛЧК11К0 ВАЛЕНТИН ПЕТРОВИЧ кандидат технических наук

СООРУЖЕНИЕ, ОСВОЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ДРЕНАЖА.

Специальность 06.01.02 - мелиорация - орошаемое земледелие

-I / - — ^- ^ • - — ** • ЛИОРАЦИИ

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев 1993 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение 4

Глава I. Технические средства и навесное оборудование для бурения скважин большого диаметра на воду

1.1. Ударно-канатное бурение /О

1.2. Вращательное бурение с прямой промывкой /3

1.3. Вращательное бурение с обратной промывкой ¡8

1.4. Навесное оборудование для бурения скважин

большого диаметра методом обратной промывки 2.2.

Глава II. Исследования изменения проницаемости при-

фильтровой зоны при различных способах бурения скважин ЗУ

II. 1. Методика проведения исследований 3 4

П.2. Изменение проницаемости прифильтровой зоны при различных способах и технологиях

бурения скважин и

а) при ударно-канатном бурении 38

б) при роторном бурении с прямой промывкой

забоя глинистым раствором 4о

в) при роторном бурении с обратной промывкой забоя чистой водой и различной технологии вскрытия пласта

Глава III. Выбор каркаса гравийного фильтра. Исследование рациональных соотношений диаметра скважины

и каркаса фильтра в скважинах большого диаметра. 3 7

III. 1. Выбор каркаса гравийного)фильтра. 5"7

III.2. Расчет диаметра и длины каркаса фильтра скважин на воду 64

Глава IV. Исследование технологии производства работ при сооружении гравийно-засыпных фильтров скважин большого диаметра

IV. 1. Гравийные обсыпки, их подбор и подготовка, 90 IV.2. Исследование и регулирование процесса расслоения

гравия при производстве обсыпки гравитационным способом. ^ IV.3. Методы регулирования расслоения гравия в

полевых условиях. I/O

IV.4. Выбор толщины контура обсыпки, II9

IV.5. Освоение скважин большого диаметра. ¡22.

Глава V. Исследование метода интенсификации водоотбора из скважин в связи с неравномерностью притока по длине фильтров. Новые конструкции скважин большого диаметра на воду

Глава VI. Натурные наблюдения за работой скважин

большого диаметра во времени. _[6£

Глава VII. Перспективные направления работ для улучшения технико-экономических показателей сооружения скважин

большого диаметра на воду /&Ь

Основные выводы и инженерные рекомендации.

Приложение!. 2Q7

Литература.

224

ВВЕДЕНИЕ Общая характеристика работы

Актуальность. Технический прогресс в народном хозяйстве неразрывно связан с интенсификацией работ для водоснабжения и водопонижения. С увеличением техногенной нагрузки на окружающую природную среду вопросы водоснабжения за счет подземных вод на ограниченных по площади территориях, водопонижения в зоне влияния гидротехнического, мелиоративного строительства для ликвидации подтопления населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий, промплощадок в сжатые сроки с минимальными затратами, рассчитанных на требуемый срок эксплуатации, приобретают особенно актуальное значение. Опыт работы проектных, производственных организаций ведущих экономически развитых стран мира показывает, что применительно к сооружению высокодебитных скважин на рыхлые осадочные отложения наиболее эффективно бурение роторным способом с обратной промывкой чистой водой. Решение многих вопросов, связанных с сооружением скважин большого диаметра этим способом, их оборудованием, освоением и эксплуатацией может быть получено на основе разработки научных принципов комплексного подхода к решению данной проблемы: теоретических проработок, лабораторных и экспериментальных работ и исследований. К таким вопросам в первую очередь относятся исследования влияния способов и технологий бурения в различных гидрогеологических условиях, а также технологий освоения скважин большого диаметра на гидравлические показатели их прифильтровых зон, исследования водопритока при оборудовании скважин новыми конструкциями и новыми фильтрами, которые позволяют существенно повысить водоотбор подземных вод при применении каркасов фильтров большой длины с учетом неравномерности притока по длине фильтров, производство работ по устройству гравийно-обсыпных фильтров с применением гравия неоднородного состава, исследования технологий освоения скважин большого диаметра, изменения их гидравлических характеристик во времени и на их основе разработка

современных и перспективных технических средств их осуществления (буровые агрегаты и навесное оборудование к ним).

Разработка новых технологий бурения скважин большого диаметра методом обратной промывки чистой водой, технических средств их осуществления позволили создать научную и промышленную базу для выпуска современных специализированных буровых агрегатов и навесного оборудования к ним, обеспечить повышение производительности и качества буровых работ, увеличить водоотбор и продолжительность эксплуатации скважин на воду. Кроме того, разработаны принципиально новые конструкции скважин большого диаметра, технологии их оборудования и освоения, новые конструкции фильтров повышенной скважности, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами. При этом данные конструкции фильтров могут изготавливаться непосредственно производственными организациями на ограниченных площадях с минимальными затратами сил и средств. Многие из указанных задач решались на объектах Украины, Российской Федерации, Белоруссии, Латвии, Молдовы. В процессе производственных испытаний созданы уникальные стационары для исследования работы фильтров различных типов во времени (каркасно-стержневых, проволочных, с отверстиями типа «мост»,щелевые пластмассовые, мягкопаралоновые, жесткопаралоновые, из пористого бетона и т.д.), установлены новые конструкции скважин, позволяющие проводить гидравлические испытания, расходометрию, отбирать пробы воды на химический и газовый составы в любой точке фильтра при работающей скважине без выполнения трудоемких монтажно-демонтажных работ водоотборных средств (К. Днепровский, В.Знаменский, Никопольский, Кременчугский, Ржищевский вертикальные дренажи, водозаборы г.г.Черкассы, Канев, Шпола и др. объекты).

Цель работы связана с разработкой и исследованиями технологий сооружения скважин большого диаметра на воду методом обратной промывки чистой водой в различных гидрогеологических условиях для гидротехнического, сельскохозяйственного, коммунального и промышленного водоснабжения, дренажа сельскохозяйственных угодий, населенных пунктов,

промплощадок с разработкой, созданием и испытанием современных средств их осуществления.

Общая методика исследований основана на теоретических и экспериментальных работах, выполненных преимущественно в полевых условиях, конструкторских и технологических разработках с широким апробированием при проведении гидрогеологических исследований, буровых работ на водозаборах, дренажах в различных природных условиях.

Научная новизна работы. В диссертации изложены следующие новые результаты:

1. Исследовано и определено влияние различных способов и технологий бурения на гидравлические показатели прифильтровых зон скважин большого диаметра. Доказано, что при соблюдении разработанной технологии бурения наилучшие гидравлические и технико-экономические показатели имеют скважины, пробуренные роторным способом с обратной промывкой чистой водой.

2. Исследовано расслоение гравия при устройстве гравийно-обсыпных фильтров. Разработан^ технология производства работ и рекомендации по устройству гравийно-обсыпных фильтров в скважинах большого диаметра с применением гравия неоднородного состава.

3. Разработаны и исследованы технологии освоения скважин большого диаметра, оборудованных фильтрами гравийного типа, с минимальными гидравлическими сопротивлениями прифильтровых зон.

4. Разработана методика расчета диаметра каркаса фильтров скважин большого диаметра.

5. Разработаны и исследованы щелевые пластмассовые фильтры повышенной скважности.

6. Исследована неравномерность притока воды по длине фильтров скважин большого диаметра при различных режимах водоотбора.

Разработаны новые конструкции для оборудования скважин большого диаметра на воду, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами.

7. Разработана принципиально новая конструкция легкой шлангокабельной установки для бурения в осадочных отложениях стволов большого диаметра методом обратной промывки на глубину до 100м и диаметром до 1000мм.

8. Разработана проектно-конструкторская документация, изготовлены и испытаны специализированные гидравлические буровые агрегаты на воду с усилием на крюку 15,20,32тс с комплектами навесного оборудования диаметром 4-10 дюймов с быстроразъемными клиновыми соединениями.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Исследования влияния различных способов бурения на гидравлические показатели прифильтровых зон скважин на воду.

2. Исследования влияния различных технологий сооружения скважин большого диаметра методом обратной промывки на гидравлические показатели их прифильтровых зон.

3. Технология оборудования скважин большого диаметра на воду гравийно-обсыпными фильтрами с использованием гравия неоднородного состава.

4. Технология освоения скважин большого диаметра, оборудованных гравийно-обсыпными фильтрами.

5. Методика расчета диаметра каркаса фильтра скважин большого диаметра на воду.

6. Методы интенсификации сооружения и водоотбора из скважин большого диаметра с учетом неравномерности притока по длине фильтров.

7. Исследование изменения гидравлических характеристик скважин большого диаметра, оборудованных каркасами фильтров различного типа, в процессе эксплуатации.

Практическая ценность и реализация работ. Работа направлена на исследование новых высокоэффективных технологий при сооружении скважин большого диаметра методом обратной промывки чистой водой, разработку агрегатов и оборудования для их осуществления. Начало исследований относится к 1966г., когда по предложению института Водгео и водохозяйственных организаций Украины в широких производственных условиях был успешно внедрен прогрессивный скоростной способ бурения скважин большого диаметра методом обратной промывки чистой водой на модернизированных производственными организациями серийных роторных агрегатах отечественного производства. Изложенные в диссертации теоретические исследования, технологические, проектно-конструкторские разработки, проверенные в различных гидрогеологических условиях на объектах Украины, России, Белоруссии и Молдовы явились основой для массового внедрения в практику работ буровых организаций этого способа сооружения скважин на воду. По проектно-конструкторской документации, разработанной в СКБ Гидрогеологической экспедиции Минводхоза Украины, изготовлены и испытаны специализированные гидравлические буровые агрегаты на воду с усилием на крюку 15,20,32тс ( АО «Большевик», г.Киев, завод «Фрегат», г.Первомайск, завод «Металлист», г.Черкассы), навесное оборудование к ним с быстроразъемными клиновыми соединениями буровых штанг диаметром 4-10 дюймов, разработана принципиально новая конструкция легкой установки шлангокабельного бурения методом обратной промывки. .Определены изменения гидравлических характеристик прифильтровых зон скважин большого диаметра при различных способах их бурения на воду. Разработана и испытана на сооружении более ЗОООскважин различного целевого назначения на воду технология их сооружения, оборудования и освоения при применении гравийно-обсыпных фильтров с применением гравия неоднородного состава. Разработана методика расчета диаметров каркаса фильтров для оборудования скважин большого диаметра. Исходя из неравномерности притока подземных вод по длине фильтра, для интенсификации водоотбора и улучшения распределения нагрузок на различные участки фильтра разработаны и внедрены в производство

двухколонные конструкции скважин, а также скважины с фильтрами батарейного типа. Разработана и проверена в полевых условиях технология их сооружения и освоения.

Рекомендации по сооружению скважин большого диаметра методом обратной промывки, их оборудованию, освоению и эксплуатации являются методическим пособием учебным, проектным и производственным организациям при выполнении работ по добыче подземных вод, эксплуатации водозаборных и дренажных систем.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 работ, получено 5 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего 125 наименований, изложена на 235 страницах машинописного текста, в том числе 63 рисунков,27 таблиц.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на многочисленных Всесоюзных, республиканских совещаниях в 1968-1992г.г., посвященных проектированию, строительству и эксплуатации скважин на воду в г.г. Новая Каховка, Киеве, Москве, Новосибирске, Минске, Гомеле.

За помощь при выполнении полевых и лабораторных исследований, оформлении диссертации автор выражает глубокую благодарность докторам технических наук В.С.Алексееву, Г.М.Коммунару, к.т.н. А.Д.Гуриновичу, инженерам В.И.Красюку, Е.В.Тимошину, Е.А.Устинскому, В.Т.Белоусовой, техникам Г. А.Гончаренко, И. А.Томчай и др.

—ю -

Глава I.

Технические средства и навесное оборудование для бурения скважин большого диаметра на воду

Проходка скважин большого диаметра (более 400 мм ) на воду может осуществляться следующими основными способами: ударно-канатным, вращательным с прямой промывкой, вращательным с обратной промывкой. Выбор способа сооружения скважин на воду определяется ее назначением, геолого-гидрогеологическими условиями, величиной водоотбора, технико-экономическими показателями . Каждый способ бурения имеет свою рациональную область применения . В настоящее время основными способами бурения скважин большого диаметра на воду являются вращательные с прямой и обратной промывками забоя . На долю этих способов приходится свыше 90 % всех объемов буровых работ на воду . Объемы бурения ударно - канатным способом с середины шестидесятых годов, когда в СССР по предложению института Водгео и водохозяйственных организаций Украины в массовом масштабе был внедрен в производство скоростной роторный способ бурения методом обратной промывки чистой водой, уменьшились и в настоящее время на Украине они не превышают 10%.

Различными объединениями, концернами, фирмами, транснациональными корпорациями в мире выпускается более 80 типов буровых агрегатов для сооружения скважин на воду. Большинство из них приспособлено для проходки скважин комбинированными способами. Причем, наблюдается общая тенденция к расширению диапазонов их применения, оснащению гидроподъемниками мачт, гидравлическими приводами роторов, лебедок, гидровращателями с большим крутящим моментом, гидравлическими аутригерами. Транспортной базой, как правило, служат автомобильные шасси повышенной проходимости, трейлеры, прицепы. Приводами агрегатов служат как двигатели шасси, так и палубные дизельные двигатели установок. Буровые агрегаты дополнительно оснащаются мощными компрессорными установками, прицепами для навесного оборудования с гидравлической подачей их к месту выполнения буровых операций.

Большое внимание на Украине и за рубежом уделяется навесному оборудованию: конструкциям вертлюгов-сальников, подвижных вращателей, соединениям буровых штанг, долотьям.

Значительный вклад в развитие буровой техники, исследования технологий производства работ по сооружению скважин на воду внесли Воздвиженский Б. И. , Волков С. А. , Вальдман И. Я. , Вортман 3. М. , Гаврилко В. М. , Дубровский В. В. , Башкатов Д. Н. , Квашнин Г. П. , Сулакшин С. С. , Кардыш В. Г , Мурзаков Б. В. , Кузьмин И. В. , Алексеев В. С. , Верстов В. В. , Беляков В. М. , Ткаченко В. П. , Керимов В. А. , Оноприенко М. Г. и др.

1.1. Ударно-канатное бурение

Данный способ бурения до середины сороковых годов был основным видом бурения скважин на воду. Связано это с простотой устройства и эксплуатации буровых

агрегатов, возможностью проходки скважин практически в любых гидрогеологических условиях, точной отбивкой контактов между слоями пород, возможностью отбора проб пород для определения литологического и гранулометрического составов, качественным вскрытием и освоением водоносных пластов, возможностью устройства перерывов любой продолжительности в процессе производства работ.

В настоящее время в различных странах мира выпускается более 20 типов установок ударного бурения на воду. Характеристика некото