Размер на процепите на сондажния филтър за вода спрямо анализ на пясъка във водоносния хоризонт: Как да съобразим отворите на процепите със зърнометричния състав на пласта

Размерът на процепа на филтъра за воден кладенец е ширината на отвора между съседните телове или перфорации на филтъра, която контролира кои частици от водоносния хоризонт се допускат в кладенеца. Той обикновено се изразява в инчове (0.006–0.040 in) или милиметри (0.15–1.0 mm) и е най-важното конструктивно решение при филтъра за кладенец. Изберете го правилно и кладенецът ще произвежда чиста вода без пясък в продължение на десетилетия. Сгрешете го и пясъкът ще износи работните колела на помпата, ще се утаи в обсадната тръба и тихо ще съкрати полезния живот на кладенеца. Изборът на процеп не е въпрос на предположения: той произтича директно от лабораторен ситов анализ на водоносния хоризонт, като се използват статистически данни за размера на зърната като D10, D60 и коефициента на еднородност Cu = D60/D10. Това ръководство обяснява как да се разчитат тези числа, как да се превърнат в практически размер на процепа, кога е необходима гравийна засипка и как да се провери дали филтърът, който специфицирате, ще работи според предназначението си за вашето приложение за пречистване на вода и филтри за кладенци.

Разчитане на ситовия анализ: D10, D60 и коефициентът на еднородност

Нито един водоносен пласт не се състои от зърна с еднакъв размер. Всеки пласт има определено разпределение на зърната по размери (зърнометричен състав), а стандартният начин за неговото измерване е ситов анализ, извършен съгласно методи като ASTM D6913 или ISO 17892-4. Изсушена и претеглена проба от материала на пласта се пресява чрез разклащане през комплект от вложени сита с прогресивно по-малки отвори, като се записва масата, задържана върху всяко сито. Начертаването на кумулативния процент преминал материал спрямо размера на отвора на ситото дава кривата на зърнометричния състав, като от тази крива се разчитат стойностите, които определят избора на размера на процепите:

• D10 — размерът на зърната, при който 10% от масата на пробата е по-фина (90% е по-едра). Това е финият край на носещия скелет на пласта и най-важното единично число за определяне размера на процепите.
• D50 — медианният размер на зърната; половината от масата на пробата е по-фина, а другата половина – по-едра.
• D60 — размерът на зърната, при който 60% от масата на пробата е по-фина, използван заедно с D10 за характеризиране на сортирането.
• Коефициент на еднородност, Cu = D60/D10 — едно число, което описва колко добре сортирана е формацията.

Самата проба е толкова важна, колкото и самото изпитване. Представителната проба трябва да произхожда от водоносната зона, която действително ще бъде филтрирана — сондажен шлам от експлоатационния интервал или, където е възможно, ненарушена проба, взета с двуделна сонда. Проба, смесена от няколко водоносни хоризонта или взета от повърхностния почвен слой, ще генерира крива, която няма нищо общо със зоната, която вашият филтър трябва да обслужва.

Как да се тълкува Cu:

• Cu < 3 — еднородна, добре сортирана формация, като например чист плажен пясък. Обикновено е възможно естествено разработване на кладенеца.
• Cu 3–6 — умерено сортиран; проектирайте внимателно, естественото разработване все пак може да проработи.
• Cu > 6 — добре сортирана, неравномерна формация с широко разпределение на фини и едри зърна. Обикновено се препоръчва гравийна засипка.

Защо D10 е толкова важен? Тъй като най-малките зърна определят дали сондажът ще работи без пясък. Ако процепът задържа фракцията D10, той задържа зърната, които поддържат формацията отворена. По-фините материали с размер на тиня и глина, които се стремят да се движат, се пропускат навън по време на разработването, докато скелетът остава на мястото си.

Правилото за оразмеряване на процепите: 50–60% от D10

За естествено разработен сондаж в еднородна формация, най-широко използваното правило е да се избере размер на процепа, равен на 50–60% от D10 на пласта.

Практически пример: ситов анализ на чист среднозърнест пясък дава D10 = 0.35 mm. Петдесет до шестдесет процента от това са 0.175–0.21 mm. Най-близкият стандартен процеп — 0.20 mm (0.008 in) — е правилният избор. Ако D10 = 0.60 mm, изчислението дава 0.30–0.36 mm, така че избирате процеп от 0.30 mm (0.012 in). Ако D10 попадне между два стандартни размера, закръглете надолу към по-финия отвор; по-безопасно е да се запази малко по-голям пясъчен скелет, отколкото кладенецът да започне да изнася фини частици.

Защо 50–60%, а не 100% от D10? Филтърът не трябва да задържа всяко зрънце. Чрез задържане на приблизително половината от фракцията D10, вие позволявате на кладенеца да развие естествена филтърна обсипка: по време на разработването, финият материал близо до филтъра се извлича, по-едрите зърна образуват мостове над процепа, а пръстеновидната зона се реорганизира в по-пропусклива, самоизградила се филтърна обвивка. Това повишава дебита и намалява понижението на водното ниво, като същевременно предотвратява непрекъснатото навлизане на пясък.

Правилото често се формулира и в неговата консервативна форма: отворът на процепа трябва да бъде по-малък от най-малката частица от пласта, която искате да задържите. За естествено разработен кладенец това означава, че процепът винаги е по-малък от D10 — обикновено близо до половината от него. Два водоносни хоризонта могат да имат идентичен D10 и все пак да изискват различни филтри, тъй като техните стойности на Cu се различават, поради което компетентният производител ще поиска пълната крива на зърнометричния състав, а не просто едно число. За по-подробен преглед на наличните размери на процепите, допуските и как ширината на отвора е свързана с дебита, вижте нашето ръководство за избор на размер на процепа за филтри с V-образен профил (wedge wire).

Кладенци с чакълена обсипка: различна логика за оразмеряване

Когато пластът е нееднороден (Cu > 6), много фин или съставен от тънки прослойки, естественото разработване не може надеждно да формира стабилен филтърен слой. Стандартното решение е чакълена обсипка: внимателно сортирана обвивка от пясък и чакъл, разположена между пласта и филтъра. При наличие на чакълена обсипка, филтърът вече не трябва да задържа пласта — той трябва само да задържа чакъла, а чакълът върши работата по контрол на пясъка.

Оразмеряването на кладенец с чакълена обсипка включва две стъпки:

1. Оразмеряване на чакъла спрямо пласта. Общоприето практическо правило е D50 на чакъла да бъде 4–6 пъти по-голям от D50 на пласта (някои методи оразмеряват спрямо фракцията D30 в съотношение 4–9 пъти). Чакълът трябва да бъде достатъчно фин, за да задържи фините частици от пласта, и същевременно достатъчно едър, за да остане пропусклив и да не се превърне в пречка за водния поток.
2. Оразмерете процепа спрямо чакъла. Същото правило за 50–60% сега се прилага и за чакълената засипка: задайте процепния отвор на 50–60% от D10 на чакъла, така че най-малките чакълени зърна да образуват стабилен мост над отвора, без да преминават през него.

Чакълената засипка добавя ценен марж на толеранс: ако пластът се промени леко между проучвателния сондаж и сондажния кладенец, засипката поема разликата. Типичната дебелина на засипката в пръстеновидното пространство е 75–150 mm (3–6 in). За високодебитни общински и промишлени кладенци, филтърът, изработен като цилиндри от решетка с клиновидна тел с обграждаща чакълена засипка е доказана, широко използвана конфигурация.

Размер на процепа спрямо тип на пласта: Справочна таблица

Сондажните специалисти и консултантите обикновено започват от бърза справочна таблица, след което прецизират стойностите с измерената ситова крива. Стойностите по-долу са типични начални точки на терен за еднородни, естествено формирани пластове; винаги ги потвърждавайте спрямо 50–60% от измерения D10.

Имайте предвид, че това са само начални точки, а не заместители на ситовия анализ. Обозначението „среден пясък“ в сондажния дневник на един сондьор може да съответства на съвсем различна стойност на D10 в сравнение със същото обозначение в друг. Кривата на гранулометричния състав е истината; класификационното наименование е само пряк път.

Свободна площ и входна скорост: Проверка на производителността

Ширината на процепа контролира контрола на пясъка, но отворената площ и входна скорост контролират дебита и експлоатационния живот.

Свободната площ е процентът от цилиндричната повърхност на ситото, който представлява действителен отвор. Ситата с непрекъснат процеп от клиновидна тел обикновено осигуряват приблизително 15–40% свободна площ в зависимост от ширината на процепа и профила на телта, в сравнение с едва около 5–15% за перфорирана тръба с подобна конструктивна здравина. По-голямата свободна площ означава по-малка загуба на напор през ситото и по-нисък спад на налягането между водоносния хоризонт и помпата.

Входната скорост е скоростта, с която водата преминава през повърхността на ситото: дебитът на изпомпване, разделен на откритата площ на секцията със ситото. AWWA A100 препоръчва входната скорост на ситото да се поддържа на или под 0.1 ft/s (0.03 m/s) за чиста от пясък, некорозивна вода. Над тази граница няколко проблема се ускоряват паралелно:

• Фините частици се изтеглят в и през процепа, което води до изпомпване на пясък.
• Отлаганията от желязо и калциев карбонат се натрупват по-бързо навсякъде, където водата се ускорява, което забързва инкрустацията.
• Локалната турбуленция стимулира корозията по ръбовете на процепите.

Практически пример показва колко бързо се достига ограничението: 6-инчов (152 mm) филтър с дължина 10 ft (3 m) и 20% отворена площ, изпомпващ 200 gpm, генерира входна скорост от около 0.14 ft/s — над лимита на AWWA. За да се постигне съответствие, трябва да удължите филтъра, да увеличите отворената площ или и двете. Точно затова размерът на процепа, дължината на филтъра и диаметърът на филтъра трябва да се избират заедно: процеп, избран единствено за спиране на пясъка, може да наложи непрактично дълъг филтър, а процеп, избран единствено за дебит, може да разруши сондажа.

Тип на филтъра и клас неръждаема стомана: SS304 срещу SS316

При сондажите за вода доминиращата геометрия на филтъра е филтърът с непрекъснат процеп изработен от V-образни (трапецовидни) телове – дизайнът, популяризиран като филтър тип Johnson. V-образният профил се стеснява към външната страна на филтъра, така че частица, достатъчно малка, за да навлезе в процепа, преминава директно през него, докато по-едрите зърна образуват мост върху външната повърхност и никога не се заклиняват вътре в отвора. Това самопочистващо се и предотвратяващо задръстването поведение е причината филтрите с непрекъснат процеп да превъзхождат обикновените перфорирани тръби в пясъчни формации. Можете да прочетете за как работят филтрите тип Johnson за механизма, както и за профилна тел срещу тъкана мрежа за сондажи за вода за компромисите в геометрията. За дълбоки експлоатационни колони филтрите обикновено се доставят като филтърна тръба от клиновидна тел секции с подравнени, резбови или заварени връзки.

Изборът на материал се определя от химичния състав на водата, а не от наличността:

• SS304 — икономичният избор по подразбиране за сладка вода, некорозивни водоносни хоризонти и стандартни общински или напоителни кладенци. Той е добре устойчив на обща корозия и е подходящ за повечето вътрешни подземни води.
• SS316 / SS316L — необходим за солена, полусолена или богата на хлориди вода, крайбрежни водоносни хоризонти и агресивна химическа среда. Съдържанието на молибден осигурява значително по-добра устойчивост на питингова и пукнатинна корозия, което е от изключително значение за филтър, от който се очаква да остане в експлоатация в продължение на десетилетия.

Ако има някакви съмнения относно химическия състав на водата, направете анализ на водата в ранен етап от проекта. Заплащането на малката надбавка за 316 за кладенец, в който ще има хлориди, е много по-евтино от изваждането и подмяната на филтър, който се е пробил от питингова корозия след няколко години. При силно корозивна вода или вода с ниско pH съществуват опции с още по-високолегирани сплави, но за огромната част от кладенците изборът се свежда до 304 срещу 316.

Разработване на кладенци, защита срещу задръстване и често срещани грешки

Оразмеряването е само половината от работата. Правилно оразмереният филтър все още се нуждае от подходящо разработване на кладенеца — промиване и изпомпване след монтажа за отстраняване на фините материали от задтръбното пространство и за да се позволи формирането на естествен филтриращ слой. Пропускането на разработването е една от най-честите причини за това „дефектирал филтър“ да се окаже проблем с монтажа, а не с конструкцията.

Освен разработването, избягвайте следните повтарящи се грешки:

1. Преоразмеряване на процепа с цел максимизиране на дебита. Предвидимият резултат е хронично изпомпване на пясък, износване на вътрешните компоненти на помпата и повреда на обсадната тръба — което обикновено налага скъпа подмяна на филтъра.
2. Недооразмеряване на процепа „за по-сигурно“. Прекомерно малките отвори повишават входната скорост, ускоряват инкрустацията и корозията и могат да оставят помпата без приток, дори когато водоносният хоризонт разполага с изобилие от вода.
3. Оразмеряване въз основа на D50 или наименованието на пласта вместо D10 и пълната крива.
4. Игнориране на коефициента на еднородност. Еднородните и нееднородните формации с еднакъв D10 изискват различни подходи (естествено разработване спрямо гравийна засипка).
5. Предполагане на допуски за процепите, които производителят не спазва. Процепните отвори се произвеждат с тесни допуски и се проверяват спрямо спецификацията — при ситата с V-образна тел действителната ширина на процепа се проверява в множество точки по обиколката и по дължината, с типични допуски от ±0.001–0.002 in при проектния отвор. Потвърдете декларацията за допуските в офертата, преди да приемете ситото.

При съмнения поискайте от производителя на сита да прегледа вашата крива на ситовия анализ и сондажния каротаж, преди да се премине към рязане на стоманата. Добрият доставчик ще възрази срещу твърде голям или твърде малък размер на процепа, вместо просто да изработи това, което сте записали.

Често задавани въпроси

Какъв е подходящият размер на процепа за сондажен филтър? Няма универсална стойност. Повечето сондажни филтри използват процепи между 0.006 in (0.15 mm) и 0.040 in (1.0 mm), като конкретният избор се прави въз основа на ситовия анализ — обикновено 50–60% от D10 на пласта или 50–60% от D10 на гравийната обсипка при кладенец с гравийна обсипка.

Как да избера размера на процепа въз основа на ситов анализ? Направете ситов анализ (ASTM D6913 / ISO 17892-4), отчетете D10 от кривата на кумулативното разпределение и го умножете по 0.5–0.6. Закръглете надолу до най-близкия стандартен размер на процепа. Ако пластът е нееднороден (Cu = D60/D10 над 6) или много фин, предвидете гравийна обсипка и оразмерете процепа спрямо гравия вместо спрямо пласта.

Какво е D10 при оразмеряването на сондажни филтри? D10 е размерът на зърната, при който 10% от масата на пробата от водоносния хоризонт е по-фина. Той представлява фината част от носещия скелет на пласта и е стандартната референция за оразмеряване на процепите, тъй като задържането на фракцията D10 е това, което предпазва естествено разработения кладенец от проникване на пясък.

Какво се случва, ако процепът на филтъра е твърде голям или твърде малък? Ако е твърде голям, пясъкът и фините частици ще навлизат непрекъснато, износвайки помпата и обсадната тръба, докато се наложи изваждане на кладенеца от експлоатация. Ако е твърде малък, скоростта на навлизане се увеличава, филтърът се инкрустира и задръства по-бързо, а дебитът пада под капацитета на водоносния хоризонт. И двата вида повреди се дължат на процеп, който не е съобразен с кривата на зърнометричния състав.

Винаги ли е необходима гравийна обсипка? Не. При еднородни пластове (Cu < 3) естественото разработване обикновено е достатъчно. Гравийните обсипки се препоръчват за нееднородни (Cu > 6), много фини или слоести пластове, или когато искате допълнителен толеранс срещу разликите между проучвателния сондаж и завършения кладенец.

Получете препоръка за размер на процепа за вашия пласт

Изборът на процеп е хидроложки проблем, а не просто избор от каталог — и най-бързият начин да го направите правилно е да оставите инженер да разгледа вашите реални данни. Изпратете на KAIFIL вашия сондажен каротаж, ситов анализ и целеви дебит, и ние ще препоръчаме размер на процепа, полезна площ и геометрия на филтъра, съобразени с вашия водоносен хоризонт, след което ще изработим филтъра от SS304 или SS316 с дължини, диаметри и връзки по поръчка. От експлоатационни колони, изградени като филтърни тръби с триъгълен профил, до компоненти за сита с триъгълен профил по поръчка за модернизация и ремонт, ние изработваме сита с непрекъснат процеп според вашата формация — а не обратното. Свържете се с нас с вашите данни за формацията и нека оразмерим вашето сито правилно още от първия път.