с 01.01.1921 по настоящее время
Россия
Россия
УДК 628.112.24 Трубчатые (буровые) колодцы. Буровые скважины
В статье описана методика расчета скважинного водозабора с использованием погружных центробежных насосов в качестве водоподъемных средств. Скважины служат для забора подземных вод из напорных и безнапорных водоносных горизонтов. Подъем воды из скважин может осуществляться поверхностными или погружными насосами. Для добычи воды с большой глубины более целесообразным является выбор погружного насоса. Основными эксплуатационными параметрами водозаборной скважины являются ее дебит, а также статический и динамический уровни воды. Дебит – объем воды, поступающий из скважины в единицу времени. Статический уровень воды устанавливается в скважине при неработающем насосе, динамический – при работающем. Чем больше перепад между статическим и динамическим уровнями – тем выше дебит скважины. На базе представленной методики разработан соответствующий алгоритм. В процессе расчета скважинного водозабора определяются: глубина скважин и их количество, удельный дебит скважин с учетом их взаимовлияния, разность между статическим и динамическим уровнями воды, производительность и напор насоса, диаметры фильтра и обсадных труб.
подземные воды, скважина, дебит, статический уровень воды, динамический уровень воды, методика, алгоритм
I. Введение
Вода играет исключительно важную роль в природе и человеческой деятельности. Значительная доля воды, используемой в народном хозяйстве, поступает к потребителям из подземных водозаборов.
В качестве источников подземных вод обычно используются скважины [1-3]. Скважина представляет собой выработку цилиндрической формы, проходящую через водоносные слои. От шахтных колодцев скважины отличаются меньшей шириной, но большей глубиной, что позволяет добывать воду из глубокозалегающих пластов.
Для бурения скважин на воду применяются буровые установки различного типа. Бурильное оборудование может устанавливаться на автомобильном шасси повышенной проходимости (рис. 1). Это дает возможность разрабатывать скважины в труднодоступных районах.
Рис. 1. Установка для бурения скважин на базе автомобиля Урал 4320
Общая схема водозаборной скважины показана на рис. 2.
Верхняя часть скважины, место ее выхода не поверхность, называется устьем I.
Забой III – нижняя часть скважины, ее дно.
Между устьем и забоем находится основное пространство скважины – ее ствол II.
Для защиты стенок скважины от обрушения, ствол оборудуется обсадной трубой 2.
Рис. 2. Схема водозаборной скважины: I – устье; II – ствол; III – забой; 1 – оголовок; 2 – обсадная труба; 3 – скважинный фильтр.
Обсадная труба для скважины подбирается из стандартного типоразмерного ряда согласно проектировочным расчетам. В таблице 1 представлены примеры характеристик обсадных труб из поливинилхлорида.
В устье скважины располагается оголовок 1, предназначенный для герметизации источника и его защиты от внешних воздействий (атмосферные осадки, низкие температуры и т.д.).
В забое скважины размещается фильтр 3 с отстойником. Его назначение – предварительная очистка воды от примесей. Фильтры для скважин различаются конструкцией, формой и размерами отверстий, материалом изготовления. В таблице 2 приведены параметры фильтров с круглыми отверстиями.
Водоподъемное оборудование скважины включает в себя насос, всасывающий трубопровод, запорно-регулирующую арматуру, измерительные приборы, электрическую аппаратуру и т.д.
Забор воды из скважин, как правило, осуществляется центробежными насосами, благодаря их компактности, надежности, несложной конструкции [4-8]. Однако для этой цели могут использоваться и другие виды насосов (вихревые, винтовые, вибрационные и т.д.), а также гидроэлеваторы, эрлифты и прочие водоподъемные устройства.
Таблица 1
Параметры обсадных труб из ПВХ
№ п/п |
Наружный диаметр, мм |
Толщина стенки, мм |
Длина, мм |
|
1 |
90 |
8 |
6000 |
|
2 |
125 |
5 |
3070 |
|
3 |
165 |
9,5 |
3070 |
|
4 |
195 |
8,5 |
3080 |
|
5 |
225 |
13 |
3090 |
Таблица 2
Параметры скважинных фильтров
№ п/п |
Наружный диаметр, мм |
Диаметр отверстий, мм |
Коэффициент живого сечения, % |
|
1 |
168 |
12/16/18 |
25,2/28,6/29,0 |
|
2 |
219 |
16/20/22 |
29,2/29,2/28,6 |
|
3 |
273 |
16/20/22 |
28,1/27,8/28,3 |
|
4 |
325 |
16/20/24 |
28,6/28,3/29,2 |
|
5 |
377 |
20/22/24 |
29,8/29,1/30,2 |
Насос может устанавливаться над устьем скважины (поверхностный насос) или в ее стволе, ниже уровня воды (погружной насос). На рис. 3 слева показано оборудование скважины с поверхностным насосом, справа – скважины с погружным насосом.
Каждый тип насоса имеет свои преимущества и недостатки.
Габариты поверхностного насоса не ограничены диаметром скважины. Поверхностные насосы, в отличие от погружных, не требуют защиты электрооборудования от непосредственного воздействия воды, их монтаж и обслуживание менее трудоемки.
Рис. 3. Оборудование водозаборной скважины с поверхностным (слева) и погружным (справа) насосом: 1 – фильтр; 2 – центробежный насос; 3 – водоподъемная труба; 4 – манометр; 5 – задвижка; 6 – напорный трубопровод
В то же время, из-за ограниченной способности к самовсасыванию, поверхностные центробежные насосы обычно требуют заполнения рабочей камеры водой перед запуском, что усложняет их конструкцию и эксплуатацию.
Рис. 4. Погружной скважинный насос
Для погружных насосов (рис.4) не характерен этот недостаток, т.к. они постоянно заполнены водой. Погружные насосы так же отличаются от поверхностных более высоким КПД и низким уровнем шума.
Для подъема воды из глубоких скважин более предпочтительны погружные насосы.
Промышленностью выпускается ряд насосов с широким диапазоном производительности и напора для забора воды из скважин. В таблице 3 представлены основные технические характеристики некоторых моделей погружных скважинных центробежных насосов ЭЦВ.
Таблица 3
Технические характеристики насосов ЭЦВ
№ п/п |
Марка насоса |
Подача, м3/ч |
Напор, м |
Мощность, кВт |
|
1 |
ЭЦВ 4-2,5-65 |
2,5 |
65 |
1,1 |
|
2 |
ЭЦВ 5-4-75 |
4 |
75 |
2,2 |
|
3 |
ЭЦВ 6-6,5-75 |
6,5 |
75 |
3 |
|
4 |
ЭЦВ 8-16-85 |
16 |
85 |
6,3 |
|
5 |
ЭЦВ 8-25-55 |
25 |
55 |
5,5 |
Приток и забор воды в скважинах представляют собой сложные процессы (рис. 5).
Подземные воды поступают в скважину, постепенно заполняя ее. При этом, уровень подземных вод в непосредственной близости и на некотором удалении от скважины падает, образуя вокруг нее т.н. депрессионную воронку. Депрессионная воронка представляет собой поверхность подземных вод в прилегающем к скважине грунте. Ее вертикальная проекция называется кривой депрессии.
На рис. 5 видно, что кривая депрессии примыкает к стволу скважины выше уровня воды в ней на величину . Эта величина называется промежутком высачивания. В пределах промежутка высачивания, вода выходит из водоносного пласта и стекает в скважину по ее стенкам.
Рис. 5. Схема работы водозаборной скважины: УПВ0 – уровень подземных вод до разработки скважины; КД – кривая депрессии; СУВ – статический уровень воды; ДУВ – динамический уровень воды; ПВП – подошва водяного пласта; Н0 – мощность водоносного пласта (статический напор); Hв – промежуток высачивания; Sф – фактическое понижение уровня воды; R – радиус дренирования
Условная граница депрессионной воронки одиночной скважины имеет в плане форму, близкую к окружности. Ее радиус называется радиусом дренирования, или радиусом влияния скважины. За пределами этой окружности понижение уровня подземных вод отсутствует, и он остается таким же, каким был до разработки скважины. Обычно радиус дренирования принимает значения в пределах 50…700 м, в зависимости от свойств грунта.
Подземные воды могут находиться под давлением между двумя водоупорными пластами (межпластовые напорные воды). В этом случае (в отличие от безнапорных подземных вод), они не образуют поверхности в виде депрессионной воронки, и статический уровень в скважине поднимается над нижней границей верхнего водоупорного слоя. Если напор воды больше глубины скважины, то вода изливается на поверхность в виде фонтана. Такая скважина называется артезианской.
Объём воды, производимый скважиной в единицу времени, называется дебитом. Дебит скважины – величина непостоянная, и зависит от уровня воды в ней, точнее, от перепада между статическим и динамическим уровнями.
Уровень воды в скважине в отсутствие забора воды называется статическим. При наличии забора воды из скважины, в ней устанавливается т.н. динамический уровень, который всегда ниже статического.
Дебит определяется по формуле:
[м3/ч], (1)
где – удельный дебит скважины, м2/ч;
– разность между статическим и динамическим уровнями воды в скважине, м;
Удельным дебитом называется дебит, соответствующий понижению уровня воды на
Как видно из формулы (1), дебит скважины прямо пропорционален разности статического и динамического уровней, а удельный дебит является коэффициентом пропорциональности.
Если скважина не используется в данный момент времени, уровень воды в ней соответствует статическому.
Когда запускается насос, уровень воды падает по мере ее забора из скважины, что неизбежно сопровождается увеличением дебита. Когда дебит скважины становится равным подаче (производительности) насоса, динамический уровень стабилизируется. Такой режим работы скважины следует считать установившимся: объем воды, поступающей в скважину из грунта соответствует объему воды, забираемой насосом за тот же промежуток времени. Чем больше производительность насоса, тем ниже опускается динамический уровень.
Наибольшее значение дебита ограничено высотой столба воды в скважине. Подача насоса не должна превышать максимальный дебит скважины, в которой он установлен. Невыполнение этого условия чревато недопустимыми последствиями, как для скважины, так и для насоса. Критическое понижение уровня воды в скважине (вплоть до ее полного опорожнения) приводит к нарушению нормальной работы и сокращению срока службы скважины. Кроме того, падение динамического уровня ниже всасывающего патрубка насоса является причиной «сухого хода» – отсутствия воды в работающем насосе, что вызывает его быстрый выход из строя.
Если невозможно повысить отдачу скважины без чрезмерного увеличения производительности насоса, следует увеличить количество скважин.
Если расстояние между осями соседних скважин меньше двух радиусов дренирования
(рис. 6), их депрессионные воронки перекрываются, на что указывают пересекающиеся депрессионные кривые. В этом случае возникает т.н. взаимодействие скважин, которое сопровождается снижением их дебитов.
Рис. 6. Взаимодействие скважин: 1 и 2 – скважины; КД – кривая депрессии; А – расстояние между осями скважин; R – радиус дренирования
Степень взаимодействия скважин определяется коэффициентом взаимодействия , который равен отношению удельного дебита одной из взаимодействующих скважин к удельному дебиту той же самой скважины при ее одиночном расположении:
(2)
Чем ближе друг к другу расположены скважины, тем меньше коэффициент взаимодействия , и дебит каждой из них. Очевидно, что слишком компактно размещать скважины нецелесообразно.
В то же время, большие интервалы между скважинами приводят к увеличению территории водозабора и создают неудобства при его обслуживании.
Исходя из этого, скважины допускается располагать на расстоянии (0,3…0,5) друг от друга, чтобы их взаимное влияние было незначительным.
1. Gadaev, A. Water wells: Sustainable usage and rehabilitation technology / A. Gadaev, A. Juraev, S. Usanova // III International Conference on Geotechnology, Mining and Rational Use of Natural Resources (GEOTECH-2023), 2023.
2. Мельников, В.А. Аспекты проектирования, строительства и обслуживания водопроводных скважин в домах / В.А. Мельников // E-Scio. – 2023. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/aspekty-proektirovaniya-stroitelstva-i-obsluzhivaniya-vodoprovodnyh-skvazhin-v-domah?ysclid=map5cgcf6582000131 (дата обращения 15.05.2025) – Текст: электронный.
3. Шабалин, В.В. Определение компонентов, растворенных органических и неорганических веществ в природных водах / В.В. Шабалин, Т.С. Рогожина // Вода и экология: проблемы и решения. – 2021. – № 1. – DOI:https://doi.org/10.23968/2305-3488.2021.26.1.61-70. Scopus
4. A data-driven pipeline pressure procedure for remote monitoring of centrifugal pumps / R.A. Giro, G. Bernasconi, G. Giunta, S. Cesari // Journal of Petroleum Science and Engineering. – 2021. – T. 205. – P. 108845. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.108845.
5. Andres, N.S. Development of solar-powered water pump with 3D printed impeller / N.S. Andres // De Gruyter Brill. – 2021.
6. Ivanov, V.A. Numerical and analytical modeling of centrifugal pump / V.A. Ivanov, N.V. Erkaev // Journal of siberian federal university. Mathematics and physics. – 2021. – Т. 14, № 2. – С. 213-223. – DOI:https://doi.org/10.17516/1997-1397-2021-14-2-213-223.
7. Shakirov, B. Evaluation of the technical and economic efficiency of centrifugal pumps at irrigation pumping stations / B. Shakirov, O. Abduhalilov, I. Orinov, D. Makhmudov, N. Botirova // Universum: технические науки. – 2024. – № 10-7. – С. 52-54.
8. Xu, J. Operation optimization study of water pump production model based on low-carbon economy concept / J. Xu, Y. Lu // Frontiers in Energy Research. – 2023. – DOIhttps://doi.org/10.3389/fenrg.2022.1097729.
9. Evdokimova, S.A. Segmentation of store customers to increase sales using ABC-XYZ-analysis and clustering methods / S.A. Evdokimova // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – P. 012117. – DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/2032/1/012117 EDN: https://elibrary.ru/VYEQCR. Scopus, WoS
10. Huynh, H.X. Smart greenhouse construction and irrigation control system for optimal Brassica Juncea development / H.X. Huynh, L.N. Tran, N. Duong-Trung // PLoS ONE. – 2023. – Vol. 18, No. 10. – P. e0292971. – DOIhttps://doi.org/10.1371/journal.pone.0292971. Scopus
11. Research on logistics distribution vehicle scheduling based on heuristic genetic algorithm / C.L. Wang [et al.] // Complexity. – 2021. – № 11. – Pp. 1-8. – DOI:https://doi.org/10.1155/2021/8275714. Scopus
12. Simulation of the rate of dissolution of sucrose crystals / D.V. Arapov, V.A. Kuritsyn, S.M. Petrov, N.M. Podgornova // Journal of Food Engineering. – 2022. – Vol. 318. – P. 110887. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110887. WoS
13. Алгоритм диагностики утечек целевого продукта в условиях неопределенности для гидравлической системы / С.А. Сазонова, А.Н. Кошель, И.Н. Пантелеев [и др.] // Моделирование систем и процессов. – 2024. – Т. 17, № 2. – С. 71-82. – DOIhttps://doi.org/10.12737/2219-0767-2024-17-2-71-82. – EDN HDRQPC.
14. Высоцкая, И.А. Обоснование информационно-интеллектуальной поддержки принципов действия технических систем / И.А. Высоцкая // Моделирование систем и процессов. – 2024. – Т. 17, № 1. – С. 19-26. – DOIhttps://doi.org/10.12737/2219-0767-2024-17-1-19-26. – EDN DCEATL.
15. Сазонова, С.А. Моделирование процесса диагностики утечек на основе двухальтернативной гипотезы с учетом помех от стохастичности потребления в гидравлической системе / С.А. Сазонова, И.В. Щербакова, Г.И. Сметанкина // Моделирование систем и процессов. – 2024. – Т. 17, № 1. – С. 111-120. – DOIhttps://doi.org/10.12737/2219-0767-2024-17-1-111-120. – EDN CSKRIZ.
