Конструкции фильтров

Фильтр — наиболее ответственный элемент любой буровой скважины. Он должен отвечать следующим требованиям:
- обладать необходимой механической прочностью;
- иметь по возможности наибольшую площадь контакта с водоносной породой;
- обеспечивать максимальный дебит скважины при минимальном понижении уровня воды в ней;
- быть достаточно устойчивым при длительной эксплуатации против химической и электрохимической коррозий, водной эрозии, зарастания;
- иметь конструкцию, позволяющую применять механические и химические методы восстановления водопроницаемости прифильтровых зон и фильтра и извлекать из скважины старый фильтр для замены новым.
Тип фильтра подбирают в основном в зависимости от гранулометрического состава водосодержащих пород согласно указаниям СНиП 2.04.02—84.

Фильтр состоит из каркаса и водоприемной поверхности. Каркас — основа для водоприемной поверхности. Он может быть: стержневым, трубчатым с круглой или щелевой перфорацией; из штампованного листа. Водоприемную поверхность устраивают из проволочной обмотки, штампованного листа, металлических и неметаллических сеток.
В зависимости от строения водоприемной поверхности фильтры скважин подразделяют:
- на трубчатые с круглой или щелевой перфорацией;
- с проволочной обмоткой;
- с водоприемной поверхностью из штампованного листа;
- сетчатые;
- гравийные кожуховые;
- гравийные обсыпные;
- блочные из пористого бетона или пористой керамики.
Трубчатые фильтры с круглой или щелевой перфорацией (рис. 75, а) изготовляют из металлических, металлических антикоррозийных, асбестоцементных, пластмассовых, стеклопластиковых, керамических и фарфоровых труб. Круглые отверстия на трубах располагают в шахматном порядке, щелевые — в шахматном порядке по поясам и без поясов, а также просто по поясам. Расстояние между осями круглых отверстий вдоль оси труб принимают в зависимости от диаметра труб и отверстий 15...35 мм, а по окружности трубы — 20...50 мм; ширину щелей — 10...30 мм, длину — 30...100 мм, расстояние между их осями по горизонтали — в 10 раз больше ширины щелей, расстояние между рядами по вертикали — 10...20 мм. При соблюдении приведенных соотношений скважность каркасов фильтров для различных диаметров с отверстиями в виде щелей составляет 7...10%. Сверлить или фрезеровать очень мелкие отверстия сложно, дорого и нецелесообразно, так как в результате отложения солей кальция, магния и железа они быстро зарастают.

Фильтры с круглой и щелевой перфорацией применяют, как правило, при заборе стабильной по химическому составу воды из гравелистых грунтов и чистых галечников, часто их используют в качестве опорных каркасов для проволочной обмотки, сеток и гравия, образующих фильтрующие поверхности, через которые внутрь скважины проходит чистая вода, а песчинки задерживаются. Продолжительность работы фильтров будет тем больше, чем больше скважность каркасов и геометрические размеры отверстий в них.
Каркасно-стержневые фильтры, с проволочной обмоткой (рис. 75, б) состоят из металлических стержней, опорных поясов жесткости и соединительных патрубков. Соединительные патрубки изготовляют из обсадных труб соответствующего диаметра. Для каждого звена фильтра необходимо два патрубка длиной 250...350 мм со стандартной резьбой на концах. Металлические стержни выполняют из прутковой стали диаметром 10...16 мм и длиной 2...3,5 м. Чтобы стержни образовали каркас, их располагают по образующей патрубков на расстоянии 30...40 мм один от другого. Опорные пояса придают стержням необходимую жесткость при монтаже каркаса. Их делают из фланцев листового железа толщиной 10...12 мм, колец или сварными с закладкой кусков металла между стержнями и устанавливают по вертикали через 200...350 мм.
Каркасно-стержневые фильтры после сборки очищают от окалины и покрывают антикоррозийным защитным слоем (органической краской ВН-30 или полиэтиленом).
Трубчатые фильтры с проволочной обмоткой состоят из перфорированного трубчатого каркаса и проволоки из нержавеющей стали диаметром 1,5...4 мм. Проволоку в виде спирали наматывают вокруг каркаса. В результате этого образуются щели бесконечной длины, перпендикулярные к оси фильтра. Шаг спиральной намотки принимают равным m = (0,8...1)d50, где d50 — пятидесятипроцентный размер частиц водоносной породы, обсыпки из гравия или крупного песка. Проволочную спираль на трубчатых фильтрах удерживает в заданном положении опорная стальная проволока диаметром 5...10 мм, уложенная и закрепленная вдоль оси каркаса.
Фильтры с водоприемной поверхностью из штампованного листа (рис. 75, е) состоят из перфорированного трубчатого каркаса, по поверхности которого навита прокладочная проволока, резиновый или хлорвиниловый шнур диаметром 5...10 и шагом 60...100 мм. Благодаря этой навивке между трубчатым каркасом и листом создается дренажное устройство, отводящее воду внутрь фильтра. Штампованный просечной лист из нержавеющей стали толщиной 0,7...1 мм с отверстиями различной конфигурации и скважностью 18...30% накладывают на опорную проволоку и крепят электросваркой (прерывистым швом).
Сетчатые фильтры, (рис. 75, г) состоят из опорного трубчатого или стержневого каркаса, спирально навитой на каркас проволоки и сетки галунного, киперного или квадратного плетения из латуни, нержавеющей стали или пластмассы. Места пайки у латунных сеток и проволочной подмотки в результате электрохимической коррозии быстро разрушаются. Поэтому в кромках сетки рекомендуется сшивать, склеивать эпоксидной смолой. Размер отверстий сетки подбирают опытным путем. В фильтрах используют такую сетку, которая пропускает через свои отверстия 60...80% массы пробы мелко- и среднезернистого песка или 40...60% крупнозернистого. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны обсадных труб должен быть больше наружного диаметра фильтра на 25...50 мм.
Сетчатые фильтры применяют для забора неагрессивных вод из средне- и крупнозернистых песков.
Гравийные фильтры (рис. 75, д) обеспечивают длительную и устойчивую в сравнении с другими типами фильтров эксплуатацию скважин, забирающих воду из средне- и мелкозернистых песков. Их контактирующая с водоносной породой поверхность состоит из искусственно вводимого гравия или крупнозернистого песка. Опорные каркасы изготавливают из перфорированных труб, проволочных и стержневых фильтров.
Различают гравийные фильтры опускные (устанавливают в скважины в готовом виде) и обсыпные (создают непосредственно в скважине, гравий на забой засыпают по межколонному пространству).
Гравийные кожуховые фильтры (рис. 75, е) состоят из опорного перфорированного или стержневого каркаса, сетки или проволочной обмотки, предотвращающей проникновение в каркас частиц гравийной обсыпки, стержней, служащих опорной конструкцией для сетки или проволочной обмотки, гравийной обсыпки, обычно однослойная, толщиной 30...50 мм, кожуха из сетки или трубы со щелями (щелистые трубы применяют в глубоких скважинах), хомутов, которые притягивают сетчатый кожух к каркасу (вместо хомутов можно крепить сетку проволокой), поясов жесткости из проволоки, предохраняющих сетку от выпучивания. Монтируют фильтры на поверхности. Чтобы мелкие частицы гравийной обсыпки не проникали внутрь скважины, в каркасе делают отверстия малого диаметра или закрывают их сеткой (проволочной обмоткой). При эксплуатации в результате осадки гравия верхние отверстия каркаса могут обнажаться, поэтому гравийную обсыпку рекомендуется насыпать на 50 см выше отверстий в каркасе.
При разглинизации скважин гравийные кожуховые фильтры хорошо пропускают глинистую корку и мелкий песок. Их успешно применяют в скважинах как ударного, так и роторного бурения.
Гравийные обсыпные фильтры состоят из фильтрового каркаса и гравийной обсыпки. Вначале в скважину (в водоносный горизонт) опускают фильтровой каркас какой-либо конструкции, затем его обсыпают гравием.
Гравий в скважины глубиной до 100 м засыпают по межколонному пространству, глубиной более 100 м — транспортируют потоком промывочной жидкости. Гравийные обсыпки должны состоять из отсортированного, однородного по гранулометрическому составу гравия. В мелкозернистых песках, а также среднезернистых, но при наличии вод, склонных к выделению солей на фильтрах, для скважин ударно-канатного бурения применяют двух- и трехслойные обсыпки. Это позволяет увеличить в несколько раз размер отверстий на фильтровом каркасе, что уменьшает вероятность их зарастания в процессе эксплуатации. Чем больше толщина гравийной обсыпки, тем больше производительность и устойчивее работа фильтра. С увеличением объема и контура эффективность применения гравийных обсыпок разнозернистого состава увеличивается, а опасность суффозийного выноса уменьшается. Толщину слоя обсыпки следует принимать не менее 50 мм, а в скважинах роторного бурения она может достигать 300 мм (рис. 76).

Пенополистирольный обсыпной фильтр при заборе воды из песков имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным гравийным: при необходимости замены фильтра плавающую обсыпку из гранул пенополистирола можно вымыть из скважины, и каркас фильтра легко извлечь на поверхность; шаровидная форма гранул обеспечивает более высокую пропускную способность фильтра; благодаря плавучести гранулы не зависают в стволе скважины; при малой плотности гранулы обладают довольно высоким пределом прочности; гранулы легко транспортируются водой, плотно заполняют зафильтровое пространство и образующиеся в песке каверны, создавая надежный обсыпной фильтр.