Размер щели скважинного фильтра в сравнении с анализом песка водоносного горизонта: как подобрать щелевые отверстия под гранулометрический состав пласта

Размер щели скважинного фильтра — это ширина отверстия между соседними проволоками фильтра или перфорациями, которая определяет, какие частицы водоносного горизонта могут проникать в скважину. Обычно он выражается в дюймах (0.006–0.040 in) или миллиметрах (0.15–1.0 mm) и является самым важным конструктивным решением при проектировании скважинного фильтра. Сделайте правильный выбор, и скважина будет давать чистую воду без песка на протяжении десятилетий. Ошибитесь, и песок сотрет крыльчатки насосов, осядет в обсадной колонне и незаметно сократит срок полезной службы скважины. Выбор размера щели — это не гадание: он напрямую зависит от лабораторного ситового анализа водоносного горизонта с использованием таких статистических показателей гранулометрического состава, как D10, D60 и коэффициент неоднородности Cu = D60/D10. В этом руководстве объясняется, как читать эти показатели, как преобразовывать их в практический размер щелевого отверстия, когда требуется гравийная обсыпка и как убедиться, что выбранный вами фильтр будет работать должным образом в вашей сфере водоподготовки и скважинных фильтров.

Интерпретация ситового анализа: D10, D60 и коэффициент неоднородности

Ни один водоносный горизонт не состоит из зерен одного размера. Каждая порода имеет свой гранулометрический состав, и стандартным способом его измерения является ситовый анализ, проводимый по таким методикам, как ASTM D6913 или ISO 17892-4. Высушенную и взвешенную пробу материала пласта просеивают через колонну вложенных друг в друга сит с постепенно уменьшающимися отверстиями, после чего фиксируют массу, оставшуюся на каждом сите. Построение графика зависимости кумулятивного процента прохождения от размера отверстий сита дает кривую гранулометрического состава, по которой определяются значения, определяющие выбор размера щели:

• D10 — размер зерен, при котором 10% массы пробы меньше этого размера (90% крупнее). Это мелкозернистая часть несущего каркаса пласта и самый важный показатель для определения размера щели.
• D50 — медианный размер зерен; половина массы пробы меньше этого размера, а половина — крупнее.
• D60 — размер зерен, при котором 60% массы пробы меньше этого размера, используемый совместно с D10 для характеристики сортированности.
• Коэффициент неоднородности, Cu = D60/D10 — это одно число, которое описывает степень отсортированности пласта.

Сам образец важен не меньше, чем сам анализ. Репрезентативный образец должен быть взят именно из того водоносного горизонта, в котором будет установлен фильтр — это может быть буровой шлам из продуктивного интервала или, по возможности, ненарушенная проба, отобранная разъемным грунтоносом. Образец, смешанный из нескольких водоносных горизонтов или взятый из поверхностного слоя почвы, даст кривую, которая не имеет ничего общего с зоной, где должен работать ваш фильтр.

Как интерпретировать Cu:

• Cu < 3 — однородный, хорошо отсортированный пласт, например, чистый пляжный песок. Обычно возможно естественное освоение скважины.
• Cu 3–6 — умеренно отсортированный; проектируйте с осторожностью, естественное освоение все еще может быть эффективным.
• Cu > 6 — хорошо градуированный, неоднородный пласт с широким разбросом мелких и крупных зерен. Обычно рекомендуется гравийная обсыпка.

Почему D10 так важен? Потому что именно самые мелкие зерна определяют, будет ли скважина работать без выноса песка. Если щель удерживает фракцию D10, она удерживает зерна, которые сохраняют структуру пласта открытой. Более мелкие алевритовые и глинистые частицы, склонные к вымыванию, удаляются во время освоения скважины, в то время как несущий каркас породы остается на месте.

Правило подбора размера щели: 50–60% от D10

Для скважины с естественным освоением в однородном пласте наиболее распространенным правилом является выбор ширины щели, равной 50–60% от D10 пласта.

Пример расчета: ситовой анализ чистого среднезернистого песка дает D10 = 0.35 mm. Пятьдесят-шестьдесят процентов от этого значения составляют 0.175–0.21 mm. Ближайший стандартный размер щели — 0.20 mm (0.008 in) — является правильным выбором. Если D10 = 0.60 mm, расчет дает 0.30–0.36 mm, поэтому выбирается щель размером 0.30 mm (0.012 in). Если значение D10 оказывается между двумя стандартными размерами, округляйте в меньшую сторону до более мелкого отверстия; безопаснее удержать немного больше песчаного каркаса, чем допустить вынос мелких фракций из скважины.

Почему 50–60%, а не 100% от D10? Фильтру не нужно удерживать каждую песчинку. Удерживая примерно половину фракции D10, вы позволяете скважине сформировать естественную фильтрационную обсыпку: в процессе освоения скважины мелкие частицы вблизи фильтра вымываются, более крупные зерна образуют мостики над щелями, а призабойная зона перестраивается в более проницаемую, естественную фильтрующую оболочку. Это увеличивает дебит и снижает понижение уровня воды, предотвращая при этом постоянный вынос песка.

Это правило часто формулируют и в более консервативном виде: размер щели должен быть меньше, чем самая мелкая частица пласта, которую необходимо удержать. Для скважины с естественным фильтром это означает, что щель всегда меньше D10 — обычно примерно в два раза. Два водоносных горизонта могут иметь одинаковый показатель D10, но требовать разных фильтров из-за различий в коэффициенте неоднородности Cu, именно поэтому квалифицированный производитель запросит полную кривую гранулометрического состава, а не просто одно число. Для более подробного ознакомления с доступными размерами щелей, допусками и тем, как ширина отверстия влияет на расход, см. наше руководство по выбору размера щели для щелевых фильтров из профилированной проволоки.

Скважины с гравийной обсыпкой: другая логика расчета размеров

Если пласт неоднороден (Cu > 6), очень мелкозернист или состоит из тонких чередующихся прослоев, естественное освоение не может надежно сформировать стабильную фильтрующую зону. Стандартным решением является гравийная обсыпка: тщательно подобранная по гранулометрическому составу оболочка из песка и гравия, размещаемая между пластом и фильтром. При использовании гравийной обсыпки фильтру больше не нужно удерживать породу пласта — ему требуется удерживать только гравий, а гравий, в свою очередь, выполняет функцию контроля выноса песка.

Расчет параметров скважины с гравийной обсыпкой выполняется в два этапа:

1. Подбор размера гравия под характеристики пласта. Общепринятое практическое правило: показатель D50 гравия должен быть в 4–6 раз больше D50 пласта (некоторые методики рассчитывают размер по фракции D30 в соотношении 4–9 раз). Гравий должен быть достаточно мелким, чтобы удерживать мелкие частицы пласта, но при этом достаточно крупным, чтобы сохранять проницаемость и сам по себе не становиться препятствием для потока.
2. Подбирайте размер щели по размеру гравия. То же правило 50–60% теперь применяется и к гравийной засыпке: устанавливайте размер щелевого отверстия на уровне 50–60% от D10 гравия, чтобы самые мелкие гравийные зерна надежно перекрывали отверстие, не проходя сквозь него.

Гравийная засыпка обеспечивает важный запас надежности: если пласт незначительно меняется между разведочной скважиной и пробуренной скважиной, засыпка компенсирует эту разницу. Типичная толщина засыпки в затрубном пространстве составляет 75–150 mm (3–6 in). Для высокодебитных муниципальных и промышленных скважин фильтр, выполненный в виде цилиндрических щелевых фильтров с внешней гравийной засыпкой представляет собой проверенную и широко используемую конфигурацию.

Размер щели в зависимости от типа пласта: справочная таблица

Буровики и консультанты обычно начинают со справочной таблицы, а затем уточняют параметры по измеренной кривой ситового анализа. Приведенные ниже значения являются типичными исходными данными для однородных пластов естественного формирования; всегда сопоставляйте их с 50–60% от измеренного значения D10.

Имейте в виду, что это лишь отправные точки, а не замена ситового анализа. Обозначение «средний песок» в журнале бурения одного буровика может иметь совершенно иное значение D10, чем то же обозначение у другого. Кривая гранулометрического состава — это истина; классификационное название — лишь упрощение.

Живое сечение и скорость на входе: проверка эффективности

Ширина щели определяет контроль пескопроявления, но площадь живого сечения и входная скорость определяют дебит и срок службы.

Площадь живого сечения — это процент цилиндрической поверхности фильтра, приходящийся на фактические отверстия. Щелевые фильтры с непрерывной щелью обычно обеспечивают площадь живого сечения около 15–40% в зависимости от ширины щели и профиля проволоки, по сравнению со всего лишь 5–15% для перфорированной трубы аналогичной конструкционной прочности. Большая площадь живого сечения означает меньшие потери напора на фильтре и меньший перепад давления между водоносным горизонтом и насосом.

Входная скорость — это скорость, с которой вода проходит через поверхность фильтра: скорость откачки, деленная на площадь живого сечения фильтрующей секции. AWWA A100 рекомендует поддерживать входную скорость на фильтре на уровне или ниже 0.1 ft/s (0.03 m/s) для чистой от песка, некоррозионной воды. При превышении этого предела параллельно усугубляется ряд проблем:

• Мелкие частицы затягиваются в щель и проходят сквозь нее, вызывая вынос песка.
• Отложения железа и карбоната кальция оседают быстрее в местах ускорения потока воды, ускоряя процесс инкрустации.
• Локальная турбулентность способствует коррозии на краях щелей.

Практический пример показывает, насколько быстро достигается этот предел: фильтр размером 6-inch (152 mm), длиной 10 ft (3 m), с живым сечением 20%, при откачке 200 gpm, обеспечивает входную скорость около 0.14 ft/s — что выше предела AWWA. Чтобы соответствовать требованиям, необходимо увеличить длину фильтра, увеличить площадь живого сечения или и то, и другое. Именно поэтому размер щели, длина фильтра и диаметр фильтра должны подбираться совместно: щель, выбранная исключительно для удержания песка, может потребовать непрактично длинного фильтра, а щель, выбранная только ради дебита, может разрушить скважину.

Тип фильтра и марка нержавеющей стали: SS304 против SS316

Для водозаборных скважин преобладающей геометрией фильтра является щелевой фильтр с непрерывной щелью , изготовленный из V-образных (трапециевидных) проволок — конструкция, получившая известность как фильтр Johnson. V-образный профиль сужается к внешней стороне фильтра, поэтому частица, достаточно малая для прохождения в щель, проходит насквозь, в то время как более крупные зерна образуют мостик на внешней поверхности и никогда не застревают внутри отверстия. Благодаря этому эффекту самоочищения и защиты от засорения щелевые фильтры с непрерывной щелью превосходят обычные перфорированные трубы в песчаных пластах. Вы можете прочитать о принципе работы фильтров Johnson , чтобы понять механизм их действия, а также о сравнении шпальтовой сетки и тканой сетки для водозаборных скважин , чтобы оценить компромиссы геометрии. Для глубоких эксплуатационных колонн фильтры обычно поставляются в виде щелевая фильтровальная труба секции с соединениями заподлицо, резьбовыми или сварными соединениями.

Выбор материала определяется химическим составом воды, а не его наличием:

• SS304 — экономичный стандартный вариант для пресной воды, некоррозионных водоносных горизонтов, а также стандартных муниципальных или ирригационных скважин. Он обладает хорошей стойкостью к общей коррозии и подходит для большинства внутренних подземных вод.
• SS316 / SS316L — требуется для соленой, солоноватой или богатой хлоридами воды, прибрежных водоносных горизонтов и агрессивных химических сред. Содержание молибдена обеспечивает значительно более высокую стойкость к питтинговой и щелевой коррозии, что крайне важно для фильтра, который должен прослужить десятилетия.

Если есть какие-либо сомнения относительно химического состава воды, проведите анализ воды на ранней стадии проекта. Небольшая переплата за марку 316 для скважины, в которой будут присутствовать хлориды, обойдется гораздо дешевле, чем извлечение и замена фильтра, разрушенного питтинговой коррозией через несколько лет. В высококоррозионной воде или воде с низким уровнем pH существуют варианты из еще более высоколегированных сплавов, но для подавляющего большинства скважин выбор сводится к 304 или 316.

Освоение скважин, защита от засорения и типичные ошибки

Подбор размера — это лишь половина дела. Правильно подобранный фильтр все еще требует надлежащего освоения скважины — поршневания и прокачки после установки для удаления мелких фракций из затрубного пространства и формирования естественного фильтрующего слоя. Пропуск этапа освоения — одна из наиболее частых причин, по которой «вышедший из строя фильтр» оказывается проблемой монтажа, а не ошибкой проектирования.

Помимо освоения скважины, избегайте следующих повторяющихся ошибок:

1. Завышение размера щели для максимизации дебита. Предсказуемым результатом этого становятся постоянный вынос песка, износ внутренних деталей насоса и повреждение обсадной колонны, что обычно требует дорогостоящей замены фильтра.
2. Занижение размера щели «для безопасности». Чрезмерно узкие отверстия увеличивают входную скорость потока, ускоряют кольматацию и коррозию, а также могут привести к «голоданию» насоса, даже если водоносный горизонт содержит достаточное количество воды.
3. Определение размера по D50 или общему описанию пласта вместо D10 и полной гранулометрической кривой.
4. Игнорирование коэффициента однородности. Однородные и неоднородные пласты с одинаковым значением D10 требуют разных подходов (естественное освоение против гравийной обсыпки).
5. Расчет на допуски размера щели, которые производитель не соблюдает. Щелевые отверстия изготавливаются с жесткими допусками и проверяются на соответствие спецификации — на фильтрах с V-образной проволокой (V-wire) фактическая ширина щели проверяется в нескольких точках по окружности и по длине, при этом типичные допуски составляют ±0.001–0.002 in для номинального размера щели. Перед согласованием заказа на фильтр подтвердите указанные в коммерческом предложении допуски.

При возникновении сомнений попросите производителя фильтров изучить вашу кривую ситового анализа и каротажную диаграмму скважины до начала раскроя стали. Надежный поставщик укажет на слишком большой или слишком малый размер щели, а не просто изготовит изделие по вашим записям.

Часто задаваемые вопросы

Какой размер щели оптимален для фильтра водяной скважины? Универсального значения не существует. В большинстве фильтров для водяных скважин используются щели размером от 0.006 in (0.15 mm) до 0.040 in (1.0 mm), а конкретный выбор делается на основе ситового анализа — обычно 50–60% от D10 пласта или 50–60% от D10 гравийной обсыпки в скважинах с гравийным фильтром.

Как выбрать размер щели на основе ситового анализа? Проведите ситовый анализ (ASTM D6913 / ISO 17892-4), определите значение D10 по интегральной кривой распределения и умножьте его на 0.5–0.6. Округлите в меньшую сторону до ближайшего стандартного размера щели. Если пласт неоднородный (Cu = D60/D10 выше 6) или очень мелкозернистый, предусмотрите гравийную обсыпку и подбирайте размер щели по параметрам гравия, а не пласта.

Что такое D10 при подборе размера щели скважинного фильтра? D10 — это размер частиц, при котором 10% массы пробы водоносного горизонта имеют меньший размер. Он представляет собой мелкозернистую фракцию несущего каркаса пласта и служит стандартным ориентиром для расчета размера щели, поскольку удержание фракции D10 предотвращает вынос песка в естественно сформированной скважине.

Что произойдет, если щель фильтра будет слишком большой или слишком маленькой? Если она слишком велика, песок и мелкие частицы будут постоянно проникать внутрь, изнашивая насос и обсадную колонну, что в итоге потребует подъема оборудования. Если она слишком мала, скорость входного потока возрастает, фильтр быстрее покрывается отложениями и забивается, а дебит падает ниже возможностей водоносного горизонта. Обе эти проблемы возникают из-за того, что размер щели не был согласован с кривой гранулометрического состава.

Всегда ли нужна гравийная обсыпка? Нет. В однородных пластах (Cu < 3) обычно достаточно естественного освоения скважины. Гравийная обсыпка рекомендуется для неоднородных (Cu > 6), очень мелкозернистых или слоистых пластов, а также когда требуется дополнительный запас надежности на случай расхождений между параметрами разведочной скважины и готовой скважины.

Получить рекомендацию по размеру щели для вашего пласта

Выбор размера щели — это гидрологическая задача, а не просто выбор по каталогу, и самый быстрый способ сделать его правильно — предоставить инженеру возможность изучить ваши фактические данные. Отправьте KAIFIL данные каротажа скважины, ситового анализа и целевой дебит, и мы порекомендуем размер щели, площадь живого сечения и геометрию фильтра, соответствующие вашему водоносному горизонту, а затем изготовим подходящий фильтр из SS304 или SS316 с индивидуальной длиной, диаметром и соединениями. От эксплуатационных колонн, выполненных в виде трубчатых щелевых фильтров, до нестандартных деталей щелевых фильтров для модернизации и ремонта — мы изготавливаем фильтры со сплошной щелью под параметры вашего пласта, а не наоборот. Свяжитесь с нами и предоставьте данные о пласте, чтобы мы правильно подобрали размер вашего фильтра с первого раза.