Фильтры для скважин

При бурении скважин в рыхлых и полускальных породах для предохранения водоприемной части скважины от заплываиия и обвалов породы, для очистки воды, поступающей в эксплуатационную колонну, от механических примесей устанавливают фильтры. Тип фильтра для скважины (каркасный, каркасно-стержневой, сетчатый и т.д.) выбирают в зависимости от свойств породы водоносного горизонта. Рекомендуемый для различных водоносных горизонтов типы фильтров приведены в табл. 19.2. Для выбора размеров проходных отверстий фильтра для скважины можно пользоваться данными табл. 19.3.

Таблица 19.2 Рекомендуемые типы фильтров

Водосодержащис породы	Типы фильтров
Скальные и полускальные породы. Гравийно-галсчниковыс отложения с размером частиц от 20 до 100 мм (>50 мас.%)	Трубчатые с круглой и щелевой перфорацией; каркасно-стержневые
Гравий, пэавслистый песок с размером частиц от 1 до 10мм с преобладающим размером 2-5 мм (>50 мас.%)	Трубчатые и стержневые каркасы с водоприемной поверхностью из проволоки или без нее. Трубчатые и стержневые каркасы с водоприемной поверхностью из проволоки или штампованного листа
Пески среднезернистые с преобладающим размером частиц 0,25-0,50 (>50 мас.%)	Гравийно-обсыпные с уширенным контуром. Возможно применение двухслойных фильтров
Пески мелкозернистые с преобладающим размером частиц 0,10-0,25 мм (>50 мас.%)	Гравийно-обсыпные с уширенным контуром. Возможно применение двухслойных обсыпок и блочных фильтров

Таблица 19.3 Размеры проходных отверстий фильтров

Типы фильтров	Размеры проходных отверстий при коэффициенте неоднородности пород КН
	≤2	≥2
С круглой перфорацией Со щелевой перфорацией Сетки	(2,5÷3) d50 (1,25÷1,5) d50 (1,5÷2) d50	(3÷4)< d50 (1,5÷2) d50 (2÷2,5) d50
Примечание. KН=d60/d10; d10, d50 и d60 - размеры частиц, соответствующие 10, 50 и 60 %-ному содержанию их в породе.

Для агрессивных вод с большим содержанием углекислоты, сероводорода и кислорода каркасы фильтров изготавливаются из нержавеющей стали или неметаллических труб.

Каркасы фильтров выполняют из стальных обсадных труб нефтяного сортамента, геологоразведочного сортамента, стальных насосов-компрессорных труб, труб из нержавеющей стали, а также винипластовых, полиэтиленовых, стеклопластиковых, асбестоцементных и др.
Фильтры эксплуатационных скважин на воду должны удовлетворять условиям длительной эксплуатации и ремонта.

Размеры проходных отверстий фильтров при устройстве гравийной обсыпки принимаются равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки, примыкающего к стенкам фильтра.

Под скважностью фильтра понимают отношение площади отверстий к общей площади боковой поверхности фильтра, выраженное в процентах.

Минимальный диаметр каркаса фильтра следует принимать не менее 80-100 мм, а скважность следует доводить до 20-25%.

В фильтрах с водоприёмной поверхностью из проволочной обмотки и штампованного стального листа скважность каркасов принимается исходя из условий их прочности, до 30-60%.

Расчет фильтра заключается в определении его диаметра и длины водоприемной части в зависимости от дебита, состава и условий залегания водоносных пород, мощности и гидравлического режима водоносного горизонта.

Диаметр фильтра D_ф для малонапорных и маломощных водоносных горизонтов выбирают с учетом поперечных габаритов водоподъемного оборудования, длину фильтра - в зависимости от проектного дебита скважины и мощности водоносного горизонта. В водоносных горизонтах мощностью до 10 м длина рабочей части фильтра (l_ф) принимается равной их мощности. Для более мощных горизонтов длина рабочей части фильтра (в м)

l_ф=αQ/D_ф.           (19.7)

где α - опытный коэффициент, зависящий от гранулометрического состава породы водоносного горизонта; Q - проектный дебит, м3/ч; d -диаметр фильтра, мм.

Значение коэффициент α для различных пород:

• песок мелкозернистый.............................90
• песок среднезернистый........................... 60
• песок крупнозернистый........................... 50
• песчано-гравийные отложения................30
• известняки слаботрещиноватые...............90
• известняки среднетрещиноватые.............60
• известняки сильнотрещиноватые.............30

Обязательно необходимо учесть, какие вскрываются воды - напорные или безнапорные. Когда вскрываются безнапорные воды, в верхней части фильтра размещается насос. Поэтому диаметр корпуса фильтра определяется диаметром насоса.

Рабочую часть фильтра следует устанавливать против участков, обладающих наибольшей водопроницаемостью, но не менее 0,5-1 м от кровли и подошвы водоносного пласта.

При наличии нескольких водоносных горизонтов рабочие части фильтров устанавливаются в каждом водоносном горизонте и соединяются между собой глухими трубами.

Верхняя, глухая часть фильтра должна находится выше башмака обсадной колонны не менее чем на 3 м. Между обсадной колонной и надфильтровой трубой должен быть установлен сальник или кольцевой тампон. Длина отстойника принимается 1-2 м.

Ориентировочный диаметр фильтров определяется по формуле

               (19.8)

В гравийных фильтрах в качестве материала для обсыпки применяются песок, гравий, песчано-гравийные смеси. Размер частиц материалов для обсыпки выбирают из соотношения

                (19.8а)

где D₅₀ и d₅₀ размеры частиц, соответствующие 50% - ному содержанию в обсыпке и породе.

В гравийных фильтрах толщина слоев обсыпки принимается с учетом конструкции фильтра. Для фильтров, собираемых на поверхности земли и опускаемых в скважину в готовом виде, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 30 мм. Для фильтров, создаваемых на забое скважин засыпкой гравия по межтрубному пространству, толщина каждого слоя обсыпки должна быть не менее 50 мм.

Наиболее надежны в эксплуатации скважины фильтры с гравийной обсыпкой толщиной в 150-200 мм.

При устройстве двухслойных обсыпок подбор механического состава материала слоев производится по соотношению

где D₂ и D₁ - средние диаметры частиц материала соседних слоев обсыпки.

Первый слой обсыпки, прилегающий к каркасу фильтра, подбирается таким образом, чтобы размеры гравия были большие.

При устройстве гравийных фильтров за наружный диаметр скважины следует принимать диаметр внешнего контура обсыпки.

Для предотвращения разрушения несцементированных и слабосцементированных песчаных коллекторов и выноса песка в скважину при эксплуатации нефтяных и газовых скважин и сооружении скважин подземного выщелачивания призабойный участок также оборудуют гравийным фильтром. Расчетный оптимальный размер зерен гравия находят из соотношения

d_опт=6d_б                 (19.9)

Фильтры являются важнейшим звеном буровой скважины подземного выщелачивания, разрабатывающих гидрогенные месторождения проницаемых урановых руд. На полигонах подземного выщелачивания используют фильтры различных конструкций, изготовленные, как правило, из полимерных материалов (фильтры должны быть стойкими к химически агрессивным средам). При наличии в продуктивном горизонте мелкозернистых песков наиболее эффективны гравийно-обсыпные фильтры.

Наиболее распространенный материал обсыпки - окатанный кварцевый песок, который нейтрален ко всем видам выщелачивающих растворов. Кроме того, в качестве материала обсыпки применяют кремниевый песок, гранулированный пиролюзит, гранула стекла и полиэтилена. Размер частиц для гравийной обсыпки выбирают из соотношения (19.8а).