Эксплуатация водозаборных скважин
Введение
Подземные воды используются для водообеспечения большей части населенных пунктов и промышленных предприятий в Республике Беларусь. Наиболее распространенным водозаборным сооружением для добычи подземной воды являются буровые скважины. Так в настоящее время эксплуатируются 13800 водозаборов подземных вод как источников централизованного водоснабжения, в том числе 132 групповых водозабора.
В связи с чем, все более актуальным становятся задачи поддержания стабильного режима работы скважинных водозаборов, удлинения срока их эксплуатации, обеспечения высокого качества подаваемой воды, а также снижения степени загрязнения окружающей среды, сопутствующего эксплуатации скважин.
1. Общие сведения о конструкции водозаборных скважин и их характеристиках
Водозаборные скважины (трубчатые колодцы) предназначены для добычи подземной воды в различных гидрогеологических условиях. Скважины сооружаются бурением в грунте вертикальных цилиндрических выработок с последующим укреплением стенок выработок обсадными трубами. Большая часть водозаборных скважин сооружается ударно-канатным и вращательным (роторном) способами.
При ударно-канатном способе разрушение пород производится сбрасыванием в забой специальных долот и желонок. Желонками разрушенная порода извлекается из забоя. Одновременно по мере извлечения породы производится вдавливание обсадных труб.
При вращательном (роторном) способе бурения порода разрушается при вращательном движении буровых долот. Извлечение измельченной породы из забоя производится за счет нагнетания в скважину буровых растворов (глинистых или композиционных) либо чистой воды. Глинистый раствор выносит на поверхность земли разрушенную породу и закрепляет стенки скважины, препятствуя их обрушению в течение времени до монтажа обсадных труб.
При достижении буровым снарядом заданной глубины его извлекают, а в скважине монтируется обсадная труба, и производится затрубная цементация кольцевого зазора между наружной поверхностью смонтированной обсадной трубы и стенкой пробуренной скважины.
Глубина скважины определяется глубиной залегания водоносного горизонта. Для гидрогеологических условий Республики Беларусь глубины большей части водозаборных скважин находятся в пределах 40-300 м. В зависимости от мощности водоносного горизонта, его водообильности, требуемой производительности и конструкции скважины водоносный горизонт вскрывается на всю мощность (совершенные скважины), либо частично (несовершенные скважины). В зависимости от конструкции водозаборные скважины подразделяются на два основные типа - фильтровые и бесфильтровые.
Скважинные фильтры предназначены для предохранения от обрушения стенок скважин, пробуренных в неустойчивых породах, а также для предотвращения выноса частиц породы водоносного горизонта с потоком забираемой воды. Работа скважинных фильтров основана на подборе отверстий в элементах фильтра относительно размеров частиц водоносных горизонтов, при которых наблюдается так называемая геометрическая непросыпаемость (фильтры с частицезадерживающими отверстиями), либо частицы породы удерживаются от выноса за счет действия силы тяжести (гравитационные фильтры).
Бесфильтровые скважины могут сооружаться в водоносных горизонтах, сложенных из скальных и полускальных пород не склонных к обрушению. Кроме того, бесфильтровые скважины сооружаются и в случае если водоносные горизонты сложены из рыхлых пород и имеют кровлю из пород устойчивых к обрушению. В последнем случае в водоносном горизонте устраивают водоприемные полости, через поверхность которых происходит фильтрация воды и ее приток к скважине.
К основным параметрам водозаборных скважин относятся статический, динамический уровни, понижение, дебит, удельный дебит, глубина. При этом понижение и удельный дебит являются расчетными параметрами, а остальные измеряются при обследовании.
Статическим уровнем воды (Hст) - называется отметка поверхности воды в скважине при отсутствии из нее водоотбора. В ряде случаев величина статического уровня может быть подвержена сезонным, а иногда суточным колебанием, например, при гидравлической связи с поверхностными водами. При длительной эксплуатации водозаборов, как правило, происходит снижение статического уровня из-за снижения пьезометрического напора.
Динамическим уровнем воды (НД) - называется отметка поверхности воды в скважине при водоотборе из нее. Уровень воды в скважине снижается с увеличением величины водоотбора воды из скважины.
Понижением (S) - называется разность между статическим (Hст) и динамическим (НД) уровнем воды в скважине при определенных значениях величины водоотбора из нее
S = Hст - НД (1.1)
Дебитом скважины (Q, м3/ч) - называется количество воды забираемой из скважины при установившемся динамическом уровне в единицу времени.
Удельным дебитом (q, м3/ч м) - называется отношение дебита скважины к понижению, полученному при данной величине водоотбора.
q = Q / S (1.2)
Удельный дебит характеризует водоотдачу вскрытого водоносного горизонта, и гидравлические характеристики скважины.
Теоретически считается, что для напорных водоносных горизонтов величина удельного дебита постоянна. Практически, с увеличением водоотбора и понижением уровня в скважине возрастают сопротивления движению воды в водоносном горизонте, на входе в фильтр и далее в обсадных и водоподъемных трубах, и соответственно при увеличении водоотбора значение удельного дебита имеет тенденцию к понижению.
2. Оборудование водозаборных скважин
Водозаборные скважины устраиваются в павильонах, которые предназначены для размещения оборудования скважины, предотвращения несанкционированного доступа к скважине и оборудованию, защиты от неблагоприятных погодных условий
Павильоны скважин могут устраиваться наземного, подземного и полузаглубленного типа. Павильоны наземного и полузаглубленного типа должны быть оборудованы системами отопления. Как правило, отопление производиться путем использования электрообогревателей. Необходимость отопления подземных павильонов определяется исходя из конструкции павильона и характера эксплуатации скважины. Павильоны скважин должны иметь наружное и внутреннее освещение.
Заглубленные и полузаглубленные скважинные павильоны должны быть изолированы от поступления в них грунтовых вод, а также от затопления поверхностным стоком. Для удаления воды, попадающей в павильон, полы должны устраиваться с уклоном к сборным приямкам, отводящим воду. При невозможности удаления воды самотеком, предусматривается удаление воды насосами.
В павильонах размещаются оголовки скважин, электродвигатели, если скважина оборудуется насосом с трансмиссионным валом, горизонтальные центробежные насосы, приборы отопления, пусковая и контрольно-измерительная аппаратура, приборы автоматики, а также элементы напорного трубопровода, на котором устанавливаются задвижки, обратный клапан, вантуз, кран для отбора проб, и трубопровод с задвижкой для сброса воды при пуске и промывке скважины. Павильон должен быть оборудован люком, располагаемым над устьем скважины. Размеры люка должны обеспечивать возможность монтажа и демонтажа водоподъемного оборудования скважины с использованием средств механизации.
В опорной плите оголовка скважины устраивается отверстие для замера уровней воды. Отвод опорной плиты оснащается патрубком со штуцером для монтажа трехходового крана и манометра.
Для предотвращения попадания загрязнений через устье скважины оголовок герметизируется. Герметизация оголовков осуществляется сальниками, устанавливаемыми в отверстиях опорной плиты для ввода кабеля, проводов датчиков и трубки для замера уровней воды, а также резиновой прокладкой между опорной плитой и фланцем устьевого патрубка. Проверка герметичности осуществляется путем создания избыточного давления в полости скважины компрессором, при предварительно заглушенном фланце на опорной плите. Герметичность считается обеспеченной при отсутствии пузырьков воздуха, на смазанном мыльном раствором, стыке между опорной плитой и устьевым патрубком при давлении в полости скважины 0,3 МПа. Нагнетание воздуха в полость скважины осуществляется через патрубок для измерения уровней в скважине. При испытаниях на герметичность не допускается понижение уровня воды в скважине, вызванные нагнетанием воздуха, ниже 2 м от верха фильтра. Для измерения подачи воды из скважины, как правило, устанавливаются турбинные водомеры. Водомеры устанавливаются на обводной линии для обеспечения возможности их ремонта без прекращения подачи воды. В случае если параметры турбинных водомеров недостаточны для измерения расхода или требуется передача информации о расходе воды на расстоянии, следует предусматривать установку дифференциальных манометров, подключаемых к сужающим устройствам
Для забора воды из водозаборных скважин могут использоваться водоподъемники различных типов: эрлифты, горизонтальные центробежные насосы, глубинные артезианские насосы с вертикальным валом, глубинные насосы с погружными электродвигателями и другие водоподъемники. Выбор типа водоподъемного оборудования должен осуществляться исходя из конструкции скважины и ее технических характеристик, характера ее эксплуатации, при условии минимизации затрат на подъем воды. Преимущественно для забора воды из скважин используются электромеханические водоподъемники (насосы), в большей части случаев погружные насосы типа ЭЦВ. Для строительных откачек из скважин при наличии механических примесей в откачиваемой воде могут применяться эрлифты.
Горизонтальные центробежные насосы могут использоваться для забора воды из скважин с положением динамического уровня не ниже 5 м от отметки оси установки насоса. Насосные установки с трансмиссионным валом (типа УЦТВ, АТН, А) предназначены для забора и подачи воды общей минерализацией до 2000 мг/л, рН 6,0-9,5, температурой не выше 35°С, содержанием хлоридов до 350 мг/л, сульфатов до 500 мг/л, сероводорода до 1,5 мг/л. Содержание твердых механических примесей допускается для установок типа УЦТВ до 1000 мг/л (0,1% по массе), для установок АТН до 5000 мг/л (0,5% по массе). Производительность насосов типа УЦТВ, АТН, А - 30-200 м3/ч. Максимальная глубина оборудуемых скважин 100 м. В среднем данные типы насосов используются при глубинах скважин 30-40 м. Монтаж насоса типа АТН производится путем присоединения всасывающей трубы к нижнему фланцу насоса, после чего насос опускается в скважину. Монтаж водонапорных труб и элементов трансмиссии осуществляется посекционно. Трансмиссионный вал насоса соединяется с ротором вертикального электродвигателя через сальниковое уплотнение. Болты фланцевых соединений напорного трубопровода для предотвращения самоотвинчивания оснащаются контрагайкой или стопорной шайбой.
Насосы ЭЦВ предназначены для подачи воды с общей минерализацией не более 1500 мг/л, рН - 6,5-9,5, концентрацией хлоридов не более 350 мг/л, сульфатов не более 500 мг/л, сероводорода до 1,5 мг/л, температурой до 25°С, содержанием твердых механических примесей не более 0,01% по массе. Производительность насосов типа ЭЦВ 0,7-300 м3/ч. Максимальная глубина оборудуемых скважин до 700 м.
Насос скважины подключается к электрической сети через систему управления и защиты (т. н. станция управления), которая должна обеспечивать:
* автоматический пуск и остановку насоса в режиме «дренаж» или «водоподъем» в зависимости от уровня воды в скважине или водонапорной башне (резервуаре),
* ручной пуск и остановку насоса;
* дистанционный пуск и остановку насоса;
* отключение электронасоса при перегрузках, коротких замыканиях и неполнофазного режима работы;
* защиту от «сухого хода» - отключение электронасоса при понижении уровня воды в скважине ниже контролируемого значения;
* световую сигнализацию аварийного отключения электронасоса;
* контроль токовой нагрузки насоса в одной из фаз;
Во время эксплуатации скважинных насосных установок контролируется показание давления на манометре и сила тока на амперметре станции управления. Раз в месяц измеряется сопротивление изоляции системы кабель-двигатель, а также производится осмотр и техническое обслуживание станции управления.
При эксплуатации скважины должны соблюдаться режим водоподъема определенный при сооружении скважины. Не допускается установка в скважину водоподъемного оборудования с подачей превышающей эксплуатационный дебит. Дебит скважины должен быть на 10-15% выше максимальной производительности насоса, устанавливаемого в скважину.
Подача скважины каптирующей песчаные водоносные горизонты при запуске в эксплуатацию должна составлять не более 60% от проектной производительности с постепенным ее увеличением до проектной в течение 6-8 часов работы.
При наличии резервных скважин, они должны использоваться для забора воды не менее 2-3 суток в течение месяца. При эксплуатации рекомендуется поддерживать равномерный режим забора воды с остановками насоса не чаще 2 раза в час.
3. Обследование водозаборных скважин
Обследование скважины проводится для восстановления или уточнения технических характеристик скважины, требующихся для оценки возможности дальнейшей эксплуатации, необходимости и степени сложности ремонта или реконструкции, необходимости ликвидации.
Обследование действующих водозаборных скважин производится в несколько этапов.
Этап 1. Сбор и анализ исходной документации (устанавливается местоположение скважины, организация, сооружавшая скважину, год сооружения, способ бурения, проектная конструкция скважины, проектный геологический разрез, материал и диаметры обсадных труб, тип и длина фильтра, собираются и анализируются сведения о эксплуатации скважины, период эксплуатации, перерывы в работе водоподъемного оборудования, причины остановок, наличие пескования, виды и сроки проведенных ремонтных работ, данные о дебите и удельном дебите скважины, химическом составе забираемой воды в процессе эксплуатации скважины;