Многие думают, что конструкция водозаборной скважины предельно проста — труба, она и есть труба. В чём-то они, конечно, правы, но как всегда, дьявол кроется в деталях. Во-первых, труба обычно не одна, их много, и предназначены они для разного, соединяются по-разному, да ещё и делаются из разных материалов. Во-вторых, кроме труб в конструкции скважины бывают и другие элементы: фильтровые сетки, муфты и ниппели, башмаки и оголовки и т.д. Так что давайте разбираться.
Обсадные колонны
Колонна обсадных труб, это то, без чего не обходится ни одна скважина. Другие элементы конструкции могут отсутствовать, или из-за экономии, или просто, потому что они в данном конкретном случае не нужны, но скважин без обсадных труб не бывает. Основная задача обсадных колонн — воспрепятствовать обрушению стенок скважины. Даже если вы бурите скважину на голой скале, и на всю глубину скважина проходит через устойчивые твёрдые горные породы, в неё сверху необходимо установить хотя бы небольшой отрезок обсадной трубы, чтобы предотвратить попадание в скважину мусора с поверхности. Если же скважина проходит через рыхлые породы, без обсадки просто не обойтись. Другая задача обсадных колонн — не допустить смешивание воды из разных водоносных горизонтов. Верхние водоносные горизонты часто загрязнены, и водозаборные скважины эксплуатируют более глубокие. В том, что в скважину не попадает грязная вода, заслуга обсадных колонн.
Какие материалы используются для обсадных колонн?
В древнем Китае, древние китайцы, бурившие первые в мировой истории скважины, использовали бамбуковые обсадные трубы. Конечно, прогресс не стоит на месте, и сейчас появилось много новых материалов, из которых изготавливаются обсадные трубы скважин. В первую очередь это сталь. Во времена СССР считалось, что для обсадки водозаборных скважин пригодны только толстостенные горячекатаные бесшовные стальные трубы. Такое требование объясняется заботой о долговечности скважины. Дело в том, что сварной шов — это потенциальный очаг коррозии, и для того, чтобы обеспечить многолетнюю работу водозаборной скважины, лучше исключить саму возможность появления этого очага, то есть использовать бесшовную трубу. Толщина стенки обсадной трубы определяет то, как долго она способна противостоять разрушению. Раньше считалось, что для обсадки скважин подходят трубы с толщиной стенки не менее 7 миллиметров. Однако теперь, заказывая скважину, люди думают не только о долговечности, но и о стоимости скважины. Поэтому часто, особенно для малодебитных скважин небольшого диаметра, оправданно использовать и сварную трубу с относительно небольшой толщиной стенок.
Сейчас, при сооружении скважин активно используются новые материалы — пластики. В основном это непластифицированный поливинилхлорид (НПВХ) и полиэтилен низкого давления (ПНД). ПНД используется для обсадки в дешёвых неглубоких скважинах, а вот трубы из НПВХ рекламируются как идеальная замена стальных обсадных труб. Эти трубы не подвержены коррозии, но по прочности они уступают стальным, поэтому возможно их повреждение при обсадке или установке в скважину насоса.
Что бы ни говорили продавцы пластика, до сих пор золотым стандартом обсадных труб является толстостенная стальная бесшовная труба.
Иногда используют и более экзотические материалы. Известны случаи, когда очень состоятельные клиенты заказывают себе скважину с обсадными трубами из нержавеющей стали. В Москве есть скважина, пробуренная в XIX веке, и до сих пор находящаяся в приличном состоянии. У неё обсадные трубы сделаны из латуни. При самостоятельном бурении неглубоких абиссинских скважин используют любой материал, попавшийся под руку: асбестоцемент, канализационные трубы из ПВХ или полипропилена.
Для соединения труб в колонны используются муфты и ниппели. Муфта — это кусок трубы большего, чем соединяемые трубы диаметра. Муфта надевается на трубы в месте их соединения и скрепляет их. Ниппель — это то же самое, но используется отрезок трубы меньшего диаметра, который закрепляется внутри обсадной колонны. Использование муфт и ниппелей — самый надёжный метод соединения обсадных труб, но на практике при сооружении водозаборных скважин он почти не применяется. Дело в том, что при таком соединении увеличивается толщина обсадной колонны. Если используются муфты, то при бурении необходимо использовать долото большего диаметра, а если используются ниппели, то через такую обсадную колонну можно продолжать бурение, используя меньшее долото. В результате, при сооружении скважины, состоящей из нескольких обсадных колонн, увеличивается минимальная разница между диаметрами используемых труб. Как результат — при одинаковом количестве колонн приходится использовать трубы большего диаметра, а это означает удорожание скважины. Сейчас при сооружении водозаборных скважин соединение труб на муфты или ниппели используется редко.
Иногда используется резьбовое соединение обсадных труб. Однако при нарезке резьбы утончается стенка трубы, и это снижает механическую прочность и коррозионную стойкость обсадной колонны. На практике, резьбовое соединение обсадных труб используется только при сооружении скважин малого диаметра.
Основным способом соединения стальных труб в обсадных колонная является сварка. Да, сварной шов — это потенциальный очаг коррозии, но по совокупности качеств сварное соединение выигрывает у прочих. При сварке не увеличивается диаметр колонны, что позволяет уменьшить разницу в диаметре соседних колонн. Сварка обеспечивает высокую прочность и герметичность соединения обсадных труб. Приходится, как обычно, выбирать лучшее из возможного.
Пластиковые буровые трубы из НПВХ имеют на одном конце раструб, в который вставляется конец следующей трубы. Трубы соединяются на резьбе или используется специальный клей. По сути, это соединение на муфты, и да, при использовании таких труб разница в диаметре колонн увеличивается. Выпускаются также трубы с резьбовым соединением без раструба, но прочность такого соединения снижается.
Сколько должно быть обсадных колонн?
Количество обсадных колонн зависит от глубины и конструкции скважин, а также от геологического строения участка (специалисты говорят — геологического разреза), на котором сооружается скважина. В неглубоких скважинах можно обойтись одной колонной, а скважины, эксплуатирующие глубокие водоносные горизонты, иногда требуют установки пяти и более колонн. Давайте рассмотрим, какие бывают обсадные колонны, для чего они сооружаются и какие к ним предъявляются требования.
Первая колонна, которая устанавливается в скважину, — это кондуктор. Основная задача кондуктора — укрепить устье скважины. При бурении с промывкой через устье выливается буровой раствор и, если не установить кондуктор, его размоет и на месте скважины образуется большая яма. Бывали случаи, когда в такую яму проваливался буровой станок. При бурении неглубоких скважин малым диаметром, особенно если они бурятся без промывки, от установки кондуктора можно отказаться.
Дальше идут одна или несколько колонн обсадных труб. Каждая колонна устанавливается внутри предыдущей, так получается «телескоп» из обсадных колонн. Сколько должно быть таких колонн определяется, в первую очередь, геологическим разрезом. Дело в том, что по правилам охраны подземных вод, при бурении скважин необходимо обеспечить надёжную изоляцию всех водоносных горизонтов, через которые она проходит. Изоляция обеспечивается установкой обсадной колонны на кровлю каждого водоносного горизонта. Таким образом, если мы бурим скважину на второй сверху водоносный горизонт, и первый залегает достаточно глубоко, нам необходимо установить три обсадных колонны: кондуктор, на первый и на второй водоносный горизонт. Часто, при бурении малым диаметром изоляцией вышележащих водоносных горизонтов друг от друга пренебрегают, надеясь на то, что водоупорные глины обожмут обсадную трубу. При бурении промышленных скважин большого диаметра изоляция всех водоносных горизонтов обязательна!
По стандарту все колонны обсадных труб выводятся на поверхность. Если этого не сделать, то при нарушении изоляции в башмаке одной из обсадных колонн, вода из вышележащих водоносных горизонтов через голову колонны, которая не выведена на поверхность, может попасть в скважину. Кроме того, сужение диаметра скважины на большой глубине затрудняет установку скважинного насоса.
Фильтры скважин
Фильтры скважин устанавливают в интервале водоносного горизонта, чтобы предотвратить попадание в скважину частиц водоносных пород. В скважинах на водоносный песок фильтр играет огромную роль, и работоспособность, и долговечность скважины зависит от качества фильтра.
Стандартный фильтр скважины на песок представляет собой обсадную трубу, в которой просверлены отверстия. Поверх трубы наматывается проволока, которая необходима для создания зазора между трубой и сеткой, которая наматывается поверх проволоки. Сетка закрепляется ещё одной намоткой проволоки. Раньше использовалась латунная сетка, сейчас в основном используется пластик или геотекстиль. Важнейшим элементом фильтра скважины на песок является гравийная обсыпка, которая создаётся вокруг фильтра. Такой фильтр удерживает песчаные частицы и пропускает в скважину только чистую воду. В последнее время всё чаще используются готовые пластиковые фильтры фабричного производства.
Водоносные известняки обычно достаточно устойчивы и не содержат песчаных частиц, поэтому раньше часто сооружали бесфильтровые скважины. Интервал водоносного горизонта в них вообще не обсаживался. Однако сейчас так делают только в случае предельной экономии средств. Каким бы устойчивым ни был водоносный известняк, со стенок скважины падают обломки и со временем они заполняют скважину. При этом падает её производительность и скважину требуется вновь разбуривать. Поэтому в последнее время почти все скважины на известняк оборудуются фильтром, который представляет собой трубу перфорированную отверстиями размером 2 – 5 сантиметров. Задача такого фильтра не отфильтровать воду, а только удержать стенки скважины от обрушения. Иногда внутри толщи водоносных известняков встречаются слои пластичных глин. Эти глины выдавливаются в скважину и со временем её заполняют. Поэтому часто перед установкой фильтровой колонны проводят геофизические исследования в скважине, выявляют интервалы залегания глин, и в этих интервалах фильтровую колонну не перфорируют.
Фильтр скважины закрепляется на конце фильтровой колонны, которая выводится на поверхность земли. Именно в неё устанавливается скважинный насос, и её диаметр определяется размерами насоса. В тех случаях, когда скважина вскрывает напорный водоносный горизонт и уровень в ней устанавливается на достаточно большой высоте над фильтром, фильтр может устанавливаться впотай. Верхняя часть фильтра должна находиться внутри последней колонны обсадных труб. При этом насос располагается внутри обсадной колонны над фильтром. Эта последняя колонна называется рабочей, и уже её диаметр определяется маркой насоса. Установка фильтра впотай позволяет уменьшить диаметры обсадных труб и стоимость скважины.
Цементация скважины
Одна из задач обсадки скважины — изоляция водоносных горизонтов. Для этого низ (башмак) обсадной колонны должен быть герметично связан с непроницаемыми породами, перекрывающими водоносный горизонт. Для этого обсадные колонны цементируют.
Раньше обязательным требованием была цементация всего затрубного пространства от забоя до устья скважины. При этом обсадная труба оказывалась в бетонном чехле, что обеспечивало повышенную прочность обсадной колонны и её стойкость к коррозии. Однако, это достаточно дорогая процедура, требующая использования специального оборудования, поэтому сейчас при сооружении водозаборных скважин обычно ограничиваются подбашмачной цементацией. При этом цементируется только нижний интервал установки обсадной колонны в 7 – 10 метров. Как показывает практика, для изоляции водоносных горизонтов этого бывает достаточно.
Скважины малого диаметра часто бурятся вообще без цементации. Глинистые породы обычно бывают достаточно пластичны и обживают обсадную колонну, препятствуя притоку воды сверху. Но промышленные скважины большого диаметра бурить без цементации нельзя.
Башмак
Выше мы уже несколько раз употребляли слово башмак, называя так нижний конец колонны обсадных труб. Вообще-то, у этого слова есть и другое (основное) значение. Так называется специальная деталь, закрепляемая на нижнем конце обсадной колонны. После установки в скважину колонна как бы стоит на башмаке. Задач у башмака несколько. Главная — предотвратить повреждение нижнего края обсадной колонны при её спуске в скважину. Часто башмаку придают обтекаемую форму, чтобы облегчить прохождение колонны через слои пород, которые выдавливаются в скважину. Бывают специфические башмаки с вращающимися или даже моторизированными наконечниками, которые помогают пропихнуть колонну труб в скважину. Такие башмаки применяются при бурении глубоких скважин на нефть и газ. При строительстве скважин на воду башмаки обычно не применяются, но в память о них мы называем нижний конец обсадных труб башмаком.
Оголовок скважины
Оголовок скважины — это специальная деталь, устанавливаемая наверху, на голове обсадной колонны. Обычно это или стальная пластина или колпак, надеваемый на обсадную трубу. Основная задача оголовка — герметично закрыть скважину, чтобы туда не попадали посторонние предметы. За оголовок держится колонна водоподъёмных труб и скважинный насос. Через оголовок проходят провода, которые питают насос. Также в оголовке делают специальное отверстие для замера уровня воды в скважине.
Насос и водоподъёмные трубы
Обычно в скважину устанавливается электропогружной насос. Дело в том, что всасывающие насосы, которые устанавливаются наверху, в принципе не могут поднять воду с глубины более 8 метров.
Выпускаются разнообразные погружные скважинные насосы с широчайшим диапазоном производительности, различных габаритных размеров. В небольшую индивидуальную скважину устанавливаются насосы производительностью 1 — 3 кубометра в час. Такие насосы могут быть винтовыми и центробежными. Более производительные насосы, которые устанавливаются в коллективные или промышленные скважины обычно центробежные и имеют производительность до 250 кубометров в час. Скважинные насосы обеспечивают подъём воды на высоту от 40 до 300 метров.
Важной характеристикой насоса является его диаметр, ведь именно он определяет диаметр обсадных труб и в целом конструкцию скважины. Скважинные насосы по диаметру подходят к соответствующим обсадным трубам, которые по традиции имеют дюймовые размеры. Обратите внимание, что называя размер труб в дюймах, мы имеем в виду не внешний, а внутренний диаметр, а когда говорим о диаметре труб в миллиметрах — наоборот внешний диаметр. Поэтому труба диаметром в 10 дюймов в миллиметрах будет иметь диаметр не 254, а 273 миллиметра.
Размер насоса в дюймах учитывает промежуток между насосом и стенкой обсадной трубы, по которому вода будет притекать к насосу, поэтому трёхдюймовый насос будет иметь диаметр не 76,2, а 74 миллиметра. Толщина этого промежутка определяет скорость течения воды, а значит и эффективность охлаждения моторной части насоса, поэтому не следует устанавливать насос малого диаметра в скважину, обсаженную большими трубами.
Насос подаёт воду в водоподъёмную трубу, по которой вода поднимается на поверхность. Насос может создавать большое давление, поэтому если для неглубоких скважин вполне подходят водоподъёмные трубы из полиэтилена (ПНД), то для глубоких и высокопроизводительных скважин применяются специальные стальные трубы повышенной прочности (насосно-компрессорные трубы, НКТ).
Кессон
Кессон — это неглубокий (обычно 2,5 метра) колодец, на дне которого устанавливается оголовок скважины. В кессоне может располагаться и другое оборудование: станция управления насосом, гидроаккумулятор.
Раньше, при сооружении скважины, старались установить её в павильоне, в отдельном или вместе с другим оборудованием водозаборного узла, оборудованием водоподготовки, резервуарами чистой воды. Такое расположение скважины имеет свои преимущества, скважина всегда на виду, состояние оголовка под контролем, подойти и обслужить скважину легко. Если же скважина расположена в кессоне, это часто вызывало проблемы. Первая и главная — кессон заливался водой. Это может произойти при таянии снега, ливнях, при подъёме грунтовых вод. Если кессон заливается водой, это опасно, так как грязная вода может попасть в скважину, поэтому хуже всего относились к такой установке скважин санитарные врачи, контролирующие водоснабжение. Сейчас научились делать герметичные стальные и пластиковые кессоны, вроде бы снимающие эту проблему, однако на практике мы часто видим кессоны, на дне которых стоит вода.
Основное преимущество оборудования скважины в кессоне, это возможность подъезда к скважине тяжёлой техники, в первую очередь бурового станка. Это бывает необходимо для проведения ремонтных работ на скважине. Нередки случаи, когда скважины, которое можно было бы отремонтировать, ликвидировались из-за того, что они были устроены в здании водозаборного узла и подъехать к ним было невозможно.
Скважинный адаптер
Использование скважинных адаптеров это новинка в практике оборудования скважин. Скважинный адаптер — это специальное приспособление, которое устанавливается на стенке скважины, на глубине ниже слоя сезонного промерзания грунтов. Скважинный адаптер проходит через обсадную трубу с герметизацией соединения. Изнутри скважины к нему подключается водоподъёмная труба, снаружи — водопровод, идущий внутрь здания. При этом всё оборудование устанавливается внутри здания, а скважина выводится на поверхность и закрывается герметичным оголовком. Такое устройство оголовка хорошо подходит для индивидуальной скважины, но на высокопроизводительных скважинах оно не применяется.
