етодические рекомендации по оценке гидравлических параметров фильтров, применяемых при сооружении дренажных скважин

Белгород 1982

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР Управление горного производства

Всесоюзный научно-исследовательский и проектыо-конструкторский институт по осушению местороадений полезных ископаемых, специальны?/, горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу В И О Г Е М

утверждаю:

Директор института И.Ф.Океании 13 сентября 1982 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШЕЬТРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ СООРУКЫГОИ ДРЕНАЖНЫХ СКВАЖИН

Белгород 1982

где для первой схемы

для второй схемы

Г-

&а - относительная ошибка <* ; <5_К - относительная ошибка .

На рис.2 приведены интервалы изменения ос и К, для второй охе-ш при заданных погрешностях - Ъ% в определении <* и 20% в опреде -лении коэффициента водопроницаемости фильтра. Увеличение коэффициента фильтрации применяемой обсыпки в ? раз при ее радиусе НО ш позволяет изменить диапазон исследуемых фильтров до значений К| = =5,2 см/с.Изменение радиуса гравийной обсыпки также расширяет пределы возможного определения коэффициента водопроницаемости: так, при К*= 9,2 см/с и г₃ = II см можно исследовать фильтры с <3 см/с,а при увеличении г₅ до 50 см с К₍^5 см/с.

Проведение расчетов по формуле (4) позволяет сократить время исследований, хотя в общем случае для этого необходимо также априорное задание возможных пределов изменения коэффициента проницаемости исследуемого фильтра. Основываясь на этих расчетах и примерном значении ^фильтра, выбирают состав и радиус гравийной обсыпки.

2.4.    Лабораторная установка или производственный стенд для оценки коэффициента водопроницаемости фильтра представляют собой фильтрационный лоток с устройствами для задания граничных условий и определения концентрации запускаемого индикатора (рис.З). Лоток двумя перегородками разбит на три камеры: питания, разгрузки и рабочую. Рабочая камера заполняется крупнозернистым песком. В ней устанавливается исследуемый фильтр, выполняется гравийная обсыпка. Устройством, состоящим из переливного бачка и подо оеди ни те лышх шлангов, осуществляется подача воды в камеру питания,и изменением напора задается различная скорость фильтрации. Градиент фильтрационного потока регулируется также высотой выхода воды в камере дренажа, для чего имеются соответствующие отверстия.

2.5.    Измерение концентрации индикатора, в качестве которого можно использовать раствор хлористого натрия осуществляется с помощью резистивиметра ПР-I, снабженного специальным датчиком. Конст -10

Рис.З. Схема установки для оценки гидрав -лических овойств фильтров:

I - водонапорный бак;

2    - устройство для за -дания граничных условий;

3    - фильтрационный лоток; 4 - водоносный пласт; 5 - гравийная обсыпка; 6 -фильтр; 7 -изл*ерителькое устройство

рукция датчика* (рис.4)представляет собой перфорированную эбонитовую трубку 9 с вмонтированными оловянными электродами 10, К электродам присоединяются провода 7, которые в пределах эбонитовой трубки укладываются в паз 8 и заливаются эпоксидной смолой. Трубка с элект-родами навинчивается на деревянный держатель 2 , на втором конце которого имеется хомут I для крепления к фильтру. Провода маркируются в соответствии с номерами электродов и в таком порядке присоединяются к измерительным контактам на передней панели резистиЕи-метра, нумерация которых производится по вертикали.

2.6. Тарировка датчика выполняется на стандартных растворах хлористого натрия,по ее результатам строится графическая зависимость сопротивления от концентрации раствора в пересчете на содержание

IT

иона С С" Предварительно титрованием определяется количество хлора в воде, используемой для опытов.

2.7.    Методически проведение экспериментов начинается с примерного задания К, исследуемого образца фильтра и выбора расчетной схемы. Как уже указывалось, наиболее приемлемой является охема с наличием гравийной обсыпки. Расчетами по формуле (4) при заданных характеристиках леска и погрешностях в оценке К, и ос находятся параметры экспериментальной установки. Как показали опыты, наиболее предпочтительной является загрузка лотка крупнозернистым песком размером час -тнц 0,5-1,5 мм (коэффициент фильтрации порядка 0,1 см/с), В центре лотка устанавливается фильтр исследуемой конструкции и в зоне о расчетным радиусом гj концентрично фильтру создается гравийная обсыпка. Рекомендуются следующие составы обсыпок: размер зерен 2-3 мм ( К_г~ ~2,5 см/с),5-6 мм (К_г~9,5 см/с), 7-10 мм (Ка'⁴' 16,5 см/с). Затем заданием граничных условий моделируется лоток о определенной скоростью фильтрации. Предварительно производится оценка верхней границы применимости закона Дарси по методике,изложенной в работе [17]. Для указанного состава песка величина критической скорости фильтрации

находится в пределах ^-0,3 см/с, с учетом этого положения в опытах принимается Уф<\^р. После стабилизации расхода при заданной скорости фильтрации (\Л*>) производится запуск индикатора в фильтр. Первоначальная концентрация индикатора рассчитывается исходя из объели воды в фильтре и не должна превышать 1,5 г/л. Изменение концентрации индикатора фиксируется по уменьшению электропроводности раствора, замеры производятся при непрерывном помешивании с интер -валом 2-5 мин. Сушарное время прослеживания за концентрацией индикатора не превышает 40-60 мин.

2.8.    Обработка опытных данных производится следующим образом: осуществляется построение графика зависимости Еп^-ат t и расчет

по прямолинейному участку величины оС;

рассчитывается с использованием зависимостей (2), (3) косффица -ент водопроницаемости фильтра;

вычисляется коэффициент сопротивления Т по-зависимостям (7),(8) и производится построение графика Т от ;

по известны?.! геометрическим характеристикам фильтра и построенному графику Т = /(-jf-) рассчитываются значения К, для фильтров данного типа без Проведения опытных работ.

2.9.    Интерпретация результатов экспериментов показала, что опытные данные в координатах Сп и t не сразу аппроксимируются прямой 12

линией. На графике обычно отмечается точка перегиба, причем на начальном участке изменение концентрации происходит с большей интен -сявностью (рис.5). Особенно четко такой участок выражен в опытах с крупнозернистыми обсыпками, уменьшение же диаметра зерен обсыпки заметно сокращает его величину по времени. С увеличением скорости фильтрации перегиб на графике выражается менее резко, и выше опре -деленной скорости фильтрации он становится практически неЗаметн нм в наблюдаемых интервалах времени (см.рио.5, линия 4). Такой характер

зависимооти концентрации от времени, видимо,обусловлен тем, что г начале опыта наблюдается усиленная диффузия растворенного вещества за счет разницы удельных ъесов и концентрации растворов в порах породы и внутри фильтра. Увеличение размера пор обсыпки создает бла -гоприятные условия для конвекции и дисперсии, увеличение же скорости фильтрации приводит к вуалированию физико-химических процессов конвективным переносом вещества, обусловленным общим градиентом потока.

Следовательно, при оценке водопроницаемости фильтров по начальному участку необходимо учитывать процессы диффузии и весовой конвекции, в противном случае получаются завышенные значения К, . Посколь-

13

ку зависимость (1) получена при пренебрежены к диффузией индикатора из опытной скважных, во всех экспериментах, когда получается точка излома на графике fn-^- = f ( 0,для расчетов берется второй учас -ток. Расчеты коэффициентов проницаемости фильтров по формулам (2 ) или (3) обычно не вызывают затруднений.

2.10. Полученные экспериментальным путем величины К, в дальнейшем используются для оценки сопротивления фильтров. Основой для этого служит взаимосвязь между проницаемостью фильтра и его геометрическими параметрами. Для проволочных и каркасно-стержневых конструкций эта зависимость имеет вид [IIJ

для фильтров с водоприемной поверхностью из штампованного листа

У Гн

где А ~ физическая константа воды, равная при температуре 20° 0 97,7*10^ скг! с~*; 1 -скважность фильтра; г_н - гидравлический радиус фильтра, см; S - показатель сопротивления щели; Т - пока -затель сопротивления фильтра;У (Ре) - функция от числа Деана.

2.II. Исходные параметры ц, г* , 5 в выражениях (7) и (8) для фильтров с одной фильтрующей поверхностью оцениваются однозначно по известным методикам [II] . При испытании фильтров с несколькими фильтрующими поверхностями и, в частности, в наиболее распоостра -пенном случае с двумя поверхностями (каркас-провояочная обмотка или штампованный лист) необходимо введение параметров, учитывающих геометрические характеристики как каркаса, так и обмотки. В качестве таких параметров можно использовать [ 2] скважность фильтра, равную произведению скважностей каркаса и обмотки; суммарный показатель сопротивления, равный сумме сопротивлений каркаса и обмотки ; гидравлический радиус, оценивающийся с учетом наложения обмотки на отверстие в каркасе фильтра. Для проволочных фильтров гидравлический радиус рассчитывается по формуле

_{_}_2h,    6,    h,_.

^и Я d₁(h*+dJ*2(h₁»dKh₁-6₁)-2.h,d

для фильтров с водоприемной поверхностью из штампованного листа по формуле

^Ги~ (h,,*- hJHW l,)*l (Ь,-в,)(М_зт₄*    ^(10>

где h_<- длина щели каркаса, см; 6, - ширина щели каркаса, см; h_t -высота щели обмотки или длина отверстия штампованного листа; d -диаметр проволоки обмотки, см; l * б, 6г (Ь_г+ 6₃) - Для отверстия в форме трапеции; L » 2 M<6ih_t - для прямоугольного отверстия; 6_г -высота отверстия штампованного листа, см; h₅~ длина верхнего осно -вания отверстия штампованного листа, см; h,,- высота перемычки на штампованном листе, см; 6₃- ширина перемычки на штампованном листе, см.

Так как в выражениях (7) и (8) неизвестным остается параметр J , то вначале при определенном К, находятся сопротивления Т , которые затем для каждого типа фильтра представляютоя графически как функ -ция от — (рис.6). Е дальнейшем, исходя из полученных графиков, при известных геометрических размерах фильтра можно найти его сопротивление и по выражениям (7) или (8) рассчитать коэффициент водо -проницаемости без проведения опытных работ на лабораторном стенде.

Пример оцепки и расчета коэф -фициента водопроницаемости фильтра*

Моделирование проводилось по второй схеме;

К_г= 16,5 см/с; К₃= 0,106 см/с; г_|=: 4,0 см; г_г = 5,2 см; г₃ =

=11,1 см.

Опытные данные по оценке коэффициента водопроницаемости проволочного фильтра приведет в

табл Л.

По опытным данным находим

скорость фильтраций при попереч -ном сечении потока 40 х 32,6 см^

40 • 32,6

Рис.6. Изменение сопротив-    _{} з}

ления Т каркасно-стержневых    610 8 (О

фильтров в зависямоств от геометрических размеров

15

УДК 622.464:622.24

В работе изложена методика оценки гидравлических параметров фильтров в лабораторных и полевых условиях. Основу предлагаемой методики составляет определение коэффициента водопроницаемости фильтра на стендовой установке и коэффициента его старения в процессе эксплуатации дренажных скважин. Приводится сравнительная характеристика различных конструкций фильтров, даны рекомендации по их применению в производственных условиях.

Настоящие рекомендации предназначены для производственных и проектных организаций, могут быть использованы при оценке новых конструкций фильтров, решении задач осушения месторождений полезных ископаемых, сооружении водозаборных скважин.

Работа составлена по результатам исследований, выполненных в институтах ВОДГЕО и ВИ0П2М, канд.техн.наук В.С.Алексеевым и инженером Ю.И.Волковым. Утверждена на секции НТС осушения и гидротехники института ЕИОГЕМ 6 июля 1982 г. в качестве методических рекомендаций.

Всесоюзный яаучно-исследоеятельскйй я проект но-конструкторски ft институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии я маркшейлорскому долу (BMOIKM), I9-^Q2.

БВДЕНИЕ

Разнообразие предлагаемых типов и конструкций фильтров, рекомендуемых для промышленного внедрения, и назревшая необходимость разработки типовых конструкций водоприемной части дренажных устройств требует выработки объективных критериев, которые позволили бы при сложной форме входных отверстий фильтра и различных сочетаниях каркаса и водоприемной поверхности сделать вывод об их гидравлических характеристиках. В соответствии с основными параметрами, определяю-щими гидравлик фильтров, шлегациеся предложения базируются на конструктивных особенностях фильтров иля опецсфике эксплуатации скважин. Дадя характеристики фильтров применялись такие геометрические параметры как скважность, размер и расположение отверстий. Теоретичес -кое обоснование для фильтров-каркасов (перфорированная труба, стержневой каркас) эти параметры получили при аналитическом рассмотрении задача о притоке жидкости к фильтру, когда в расчетные зависимости вводилось сопротивление фильтра * зависящее от скважности,формы, числа и размеров отверстий [4] . На основе полученных решений и вытекающих из них результатов, были даны общие рекомендации по применению фильтров, состоящих из одного каркаса. Суть их сводилась к преимущественному использованию фильтров с горизонтальными щелями , имещих меньшие сопротивления и интерференцию отверстий.

Учет только геометрических особенностей фильтров-каркасов не позволяет решить вопрос о предпочтительности той или иной конструкции. Это связано с тем, что скважность фильтра весьма приближенно определяется для отверстий сложной форда и при наличии нескольких фильтрующих поверхностей. При этом скважность вообще неопределим при контакте фильтра о породами водоносного горизонта, ее величина не позволяет также учесть конструктивные особенности фильтра при гид -родинамических расчетах и сраЕнизать гидравлические параметры фильтра с таковыми для дренируемых пород, а для дренажных устройств и длительно эксплуатирукщнхся водозаборных сооружений оказывается важной оценка устойчивости их действия во времени.

В рекомендациях исходя из предпосылки выбора наиболее показате -лъных параметров для характеристики фильтров скважин дана метод ика их оценки в лабораторных и полевых условиях, приведены сравнитель -ные данные пб конструкциям фильтров, применяемых при сооружении дренажных скважин.

Рекомендации составлены по результатам работ, проведенных в институтах В0Д1Е0 и БИОГЕМ, и апробированы на большом фактическом ма -тернале.    3

I. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ШЬТТОВ СКВАХИН

IЛ. Эффективность действия фильтров скважин на воду однозначно определяется начальными гидравлическими параметрами и интенсивностью их изменения во времени вследствие развития кольматационных процессов.

Т.2. Гидравлические параметры фильтров оледует определять как функцию гидравлики ообственно фильтра-каркаса, дополнительной водоприемной поверхности и особенностей взаимодействия этих элемен -тов фильтров о водоносной породой. В качестве таких параметров ио~ пользуются удельный дебит скважины, показатель обобщенною оопро -тивления фильтра, комплексный параметр, связывающий скважность и коэффициент расхода фильтра, коэффициент водопроницаемостй фильтра, а также комбинации этих параметров.

1.3.    Применение удельного дебита скважин б качоотве показателя гидравлической характеристики фильтра возможно только для ориентировочной оценки. Сравнительные исследования в пределах одного опытного участка фильтров различных конструкций предпочтительнее производить при близкой величине понижения уровня в ходе опытной откачки или при различных понижениях уровня по известной индикатор -ней кривой. В общем же случае следует иметь в виду, что удельный дебит является комплексной характеристикой фильтрационных свойств водоносного пласта, особенностей его вскрытия, освоения и собственно фильтра.

1.4.    Показатель обобщенного сопротивления фильтра %**> один из наиболее представительных параметров, поскольку позволяет дифференцированно оценивать гидравлические потери на фильтре я в прифильтровой зоне скважин.

Комплекс исследований, проведенных во ВНИИ ВОДГЕО, подтвердил правомерность этого вывода [п] . Лабораторные и полевые работы показали важность учета контактных потерь напора, связанных с коль-матацией родоприемной поверхности. Наиболее плодотворной оказыва -ется оценка ^_г*в полевых условиях как важного критерия качества работ по бурению, оборудованию и освоению скважин. В лабораторных (стендовых) условиях воспроизводимость результатов экспериментов не удовлетворяет предъявляемым требованиям из-за возможного влия -ния особенностей опробования на формирование контактных потерь напора.

1.5.    Комплексный параметр гидравлических потерь на фильтре

4

Н=<«*1    - коэффициент расхода; Ц - скважность фильтра ) оцени -

вается при известном распределении потерь напора или скоростей по длине фильтра. Представительность этого параметра обусловливается также учетом контактных потерь напора и их ощутимой связью о геометрическими характеристиками фильтра. Исследования, проведенные Э.А.1})икев11чем [II] , свидетельствуют о близком соответствии со -поставительных определений по фильтрам с использованием в качестве критериев *Хг<р *

1.6. Обширный комллеко исследований фильтров, выпускаемых серийно в США и ФРГ, был проведен Д.Клотцем [12,13 ] . В качестве характеристики, описывающей юс гидравлические свойства, использовался коэффициент водопроницаемости К,. Определение данного показателя позволило Д.Клотцу указать основные направления в конструировании фильтров на современном этапе, выделить наиболее перспективные их типы.

Рассматривая в целом имеющиеся предложения по определению гидравлических свойств фильтров,необходимо отметить, что методически только для простых конструкций X2ч>определяется аналитически, во всех остальных случаях требуется проведение экспериментальных исследований, основу которых соотавляет оценка разности уровней вода снаружи и внутри фильтра (д$). Достоверно величина находится при оценке фильтров, имеющих большие величины сопротивлений (блочные фильтры, некоторые конструкции оетчатых и т.д.), для большинства же перспективных типов фильтров величина ДЭ при обычных градиентах потока сравнима с точностью замеров и надежность рассчитываемых показателей резко уменьшается. Наиболее перспективной является оценка гидравлических свойств фильтров по коэффициенту водопроницаемости. Имеющиеся предпосылки свидетельствуют о достаточно надежной методике его определения, кроме того, данный по -казатель по своему физическому содержанию идентичен коэффициенту ^лътрации, что позволяет сопоставить свойства фильтров с фильтрационными характеристиками пористой среды, в которой они устанав -ливаются.

2. ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТОВ ВОДШРОШЩАЕМОСТИ ФИЛЬТРОВ СКВАХИН

2.1. В качестве основы для оценки водопроницаемости Фильтров и методики проведения Экспериментов используются исследования С.А. Кода и Н.А.Огильви по определению окорооти фильтрации подземных вод по одиночной скважине прослеживанием разбавления в ней инди -

5

катора[14,15] . Рабочей предпосылкой служит положение о<5 искажении фитьтрационного потока вблизи скважины вследствие наличия фильтра, причем параметр ос , характеризуйся степень этого искажения, однозначно связан о проницаемостью фильтра. Для скорости фильтрационного потока, определенной по интенсивности разбавле -ния индикатора, имеем

V, = -~-£n -f»-.    (I)

где V*- скорость фильтрации, см/мин; d - диаметр фильтра скважины, см; t - время, мин; С - концентрация индикатора в момент t, мг/л; С,- концентрация индикатора при t =0, мг/л; ^ - коэффициент искажения фильтрационного потока.

Зависимость между и и коэффициентом водопроницаемости фильт р а представляется в следуедем виде [п] :

К гМ

(3)

где К, - проницаемость фильтра, см/с; г, - внутренний радиус фильтра, см; г_г - наружный радиус фильтра, см; К_г- коэффициент фильт -рации гравийной обсыпки, см/с; г, - радиус гравийной обсыпки, см; К₃- коэффициент фильтрации пласта, см/о.

Из приведенных зависимостей видно, что существует принципиальная возможность проведения как расчета, так и экспериментов по двум схемам. Первая схема основывается на использовании форму л ы (2), которая применима в случае равенства проницаемостей пласта и прифильтровой зоны. Вторая - предполагает неравенство коэффициентов фильтрации пласта и прифильтровой зоны, что может быть достигнуто сооружением гравийной обсыпки. Расчет в таком случае ведется по формуле (3).

2.2. Оценка возможностей каждой схемы, а также погрешности, обусловленной характером зависимости получаемого решения от входных данных, показала [7] , что вся область исследований может быть разбита на три участка (рисЛ). В пределах первого ошибка в значении оС для данной конструкции фильтра соизмерима с погрещно -стыо в найденном значении К, . На втором участке происходит поо -теленный рост погрешности в искомом решении при малогленякщей ся ошибке <*. , и на третьем участке шлые погрешности нходных данных

Рис Л. Изменение водопроницаемости проволочного фильтра диаметром 100 мм в зависимости от К_г гравийной обсыпки:

1-К₂ = 1,0 см/о; 2-K_f * 2,5 см/с; 3-к₂=* 9,2 см/с;

4-к₂ = 20 см/с; I, II, Ш - зоны,'в пределах которых существенно изменяется интенсивность роста ошибки в определе -

ния К,.

вызывают большие ошибки в величине К<. Из оценки погрешности следует, что проведение экспериментов по первой схеме наиболее эффективно для фильтров, обладающих низкими гидравлическими свойствами (    0,5    см/с). Некоторое расширение возможностей

этой схемы наблюдается при значительном увеличении коэффициента фильтрации моделируемого пласта.

Использование второй схемы (с гравийной обсыпкой) более предпочтительно, так как появляется возможность не только расширения интервала исследуемых конструкций фильтров, но и более оперативного изменения его. Эго достигается при постоянной проницаемости

7

пласта увеличением как коэффициента фильтрации обсыпки (рпс.2,а), так и ее радиуоа (рио.2,6;. Комбинацией указанных величин в каждом конкретно»⁴ случае можно подобрать оптимальный вариант схемы моделирования.

2.3. При постановке задачи по определению проницаемости фильтров необходимо выделение интервала изменения <х , в пределах которого погрешность вычисления К, не превышала бы заданной величины. Лля этой цели можно воспользоваться формулой fl]

<* < F