1.10: Уеллс

Результати навчання студентів

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Поясніть різні системи підземних вод
• Визначте надземні та підземні компоненти свердловини
• Опишіть різні методи буріння свердловин

Джерела постачання підземних вод

Підземні води є одним з найважливіших джерел постачання прісної питної води по всій території США. Під земною поверхнею знаходяться грунтові освіти, де воду можна добувати у великих обсягах. Ці підземні грунтові освіти відносять до водоносних горизонтів. Водоносний шар - це підземний шар водоносних проникних скельних утворень або неконсолідованих матеріалів, таких як пісок і гравій.

Водоносні горизонти

Існує два основних типи підземних систем (званих водоносними горизонтами), де вода зберігається і може видобуватися. Вони називаються:

• Необмежений водоносний горизонт — природний підземний шар з пористих, водоносних (пластів) матеріалів (пісок, гравій), як правило, здатний давати велику кількість запасу води
• Обмежений водоносний шар — природний підземний шар з пористих, водоносних матеріалів (пісок, гравій), розділених непроникними шарами матеріалів (глини)

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення USGS знаходиться у відкритому доступі

Прогалини і переломи в геологічних матеріалах підземні зберігають воду, яку можна добувати. Цей матеріал можна класифікувати як зведений або неконсолідований. Системи консолідованих водоносних горизонтів зустрічаються рідше і складаються з таких матеріалів, як піщаник, сланець, граніт, базальт. Більш поширений підземний геологічний матеріал містить неконсолідований осад, що містить гранульований матеріал, такий як пісок, гравій, мул та глина. Намивши водоносні горизонти (піщані, гравійні та мулові поклади річками) є одними з найбільш поширених необмежених водоносних горизонтів. Оскільки ці водоносні системи зазвичай лежать в межах русел річок, вони мають прямий зв'язок з поверхнею землі і тому більш схильні до забруднення. Будь-яке забруднення, що осідає на поверхні грунту, має потенціал, щоб просочитися («проціджувати») відкладення в водоносний шар.

Уеллс

Для того щоб витягти воду з землі, необхідно пробурити свердловину. Колодязь для грунтових вод - це споруда, побудована в грунті різними методами з метою видобутку або відкачування води з підземних водоносних горизонтів. Вони можуть бути такими ж простими, як глибокий отвір з опорами, щоб утримати отвір від руйнування і відведення води за допомогою відра. Або вони можуть бути глибиною тисячі футів і побудовані зі сталевими арматурними колонами і використовувати насоси для видобутку води. Незалежно від типу свердловини, це джерело є важливим ресурсом для громад у всьому світі. У цьому розділі мова піде про водоканал грунтових свердловин.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зображення Дідіервберге знаходиться у відкритому доступі

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Зображення Секретаріату Susana ліцензується відповідно до CC BY 2.0

Розрізняють три (3) основних типи грунтових свердловин. Вони можуть бути описані як:

• Бурові або неглибокі свердловини: Зазвичай вони буряться в необмеженому джерелі води, як правило, знаходяться на глибині ста (100) футів або менше.
• Консолідовані або скельні свердловини: Вони пробурені в пласт, що повністю складається з природного гірського утворення, яке не містить ґрунту і не руйнується. Вони, як правило, близько двохсот (250) футів.
• Неконсолідовані або піщані свердловини: Це найпоширеніший тип свердловин для питної води, які буряться у формуванні ґрунту, піску, гравію та глинистого матеріалу. Якщо їх не підтримати, ці свердловини зруйнуються на себе.

Компоненти свердловини

Існують як підземні, так і надземні компоненти до колодязя. Ці компоненти направляють воду в трубу, піднімають воду з-під землі і дозволяють воді текти над землею і в розподільну систему. Спочатку розглянемо особливості надземної поверхні колодязя, це:

• Свердловина обсадних
• Гравійна труба
• зондуюча трубка
• П'єдестал насоса
• База двигуна насоса
• Відводи відбору проб
• Клапан вакуумного вимикача випуску повітря
• Зливна лінія (скидання на відходи)

Корпус свердловини Vent

При роботі колодязя вода в колодязі починає підніматися в колоновій трубі колодязя. Однак між водою і куди закачується вода, є повітряний простір. Цей «повітря» потрібно випустити з труби колонки. Цей випуск забезпечує вентиляційний отвір обсадної труби свердловини. Це запобігає умовам вакууму всередині свердловини, пропускаючи повітря в період просадки при першому запуску свердловинного насоса, і запобігає накопиченню тиску всередині обсадної труби свердловини під час, дозволяючи надлишкам повітря виходити в період відновлення свердловини після відключення свердловини насоса.

Гравійна труба

При пробуренні свердловини в грунт опускають трубу. Вода надходить в цю трубу з навколишнього грунту. Ми хочемо, щоб вода потрапляла в колодязь, але не хочемо, щоб навколишній грунт (пісок) потрапляла в колодязь. Гравій використовується як бар'єр між навколишнім грунтом зовні обсадної труби і водою, що надходить в обсадну трубу. Гравійну трубу встановлюють для контролю рівня гравію всередині свердловини і додавання додаткового гравію в міру необхідності.

зондуюча трубка

Зондирующая трубка - це труба (труба), яка встановлюється в обсадну колодязь, щоб забезпечити вимірювання рівня грунтових вод всередині свердловини. Існує кілька методів вимірювання глибини до грунтових вод, до яких відносяться автоматичні вимірювальні прилади і ручні методи. Найпростішим засобом вимірювання рівня грунтових вод нижче поверхні землі (бгс) є кабель, опущений в зондирующую трубку, яка має позначки, що ідентифікують відстані з різним кроком (дюйми.) Кабель підключається до світла або сигналу, і коли дно кабелю торкнеться води, відбудеться звуковий або світловий сигнал. Інші засоби вимірювання глибини до підземних вод включають електронні перетворювачі та вимірювання рівня води авіакомпанії. Вимірювання авіаційної трубки здійснюється шляхом опускання трубки в свердловину, подачі тиску повітря в трубку і вимірювання тиску за допомогою манометра. Кожен фунт на квадратний дюйм тиску дорівнює 2.31 футів. Окрім вимірювання рівня підземних вод, зондувальні трубки можна використовувати для додавання хлору або інших дезінфікуючих або обробних хімічних речовин у свердловину.

П'єдестал насоса

Вентиляційний отвір обсадної колодязя, гравійна труба, і зондування трубки укладені в бетононасос п'єдестал. П'єдестал насоса призначений для підтримки всієї ваги насосного агрегату. Бетон слід безперервно заливати сталевою арматурою, щоб мінімізувати тріщини і розриви в бетоні. Переломи в бетоні можуть піддавати внутрішню частину колодязя поверхневим водам та іншим потенційним забрудненням. П'єдестал насоса також повинен бути мінімум на 18 дюймів вище готових висот колодязя колодязя.

Базовий двигун насоса

У точці, де мотор спирається на п'єдестал, він повинен мати водонепроникне ущільнення. Це ущільнення зазвичай забезпечується неопренової гумовою прокладкою. Це встановлює бар'єрне ущільнення між базою двигуна та п'єдесталом бетононасоса.

Відводи відбору проб

Зливна лінія (скидання на відходи)

Це лише деякі з найбільш поширених надземних компонентів колодязя. Є й інші особливості, але вони не будуть висвітлені в цьому тексті. Наступні пункти є переліком деяких підземних особливостей колодязя.

Кожух

Обсадна труба являє собою непроникну міцну трубу, поміщену в колодязь, щоб запобігти обрізанню стінок навколишнього грунту на свердловині. Також кожух призначений для герметизації води від зливу в свердловину з конкретних глибин.

Корпус провідника

При бурінні свердловини верхні ділянки навколишнього грунту мають тенденцію бути пухкими, і для підтримки бурових робіт використовується кожух провідника. Являє собою трубчасту конструкцію між просвердленим отвором і внутрішньою обсадною трубою, завершеною у верхній частині свердловини.

Кільцеве ущільнення

Ще одним засобом, що запобігає потраплянню поверхневих вод в свердловину, є кільцеве ущільнення. Кільцева або сантехнічна пломба являє собою цементну затірку, встановлену між обсадною трубою свердловини і кожухом провідника, простір між обсадною трубою провідника і свердловиною, або простір між обсадною трубою свердловини і свердловиною в залежності від свердловини. Це ущільнення також захищає корпус свердловини або корпус провідника від зовнішньої корозії. Використовуються три (3) види затірки; акуратна цементна затирка, піщано-цементна затирка та бентонітова глина.

Секція впуску

Вода надходить в свердловину через забірну секцію. Ця частина колодязя призначена для того, щоб вода потрапляла в обсадну колодязь і запобігала потраплянню навколишнього грунту. Наступні пункти є загальними характеристиками правильно спроектованої секції впуску:

• Non засмічення слотів/екран
• Стійкий до корозії
• Достатня міцність колапсу
• Стійкий до інкрустації
• Низька втрата напору
• Запобігання потраплянню піску

Існує п'ять (5) поширених типів забірних ділянок колодязя. До них відносяться:

• Ну екрани
• Фрезерні прорізи
• Сформовані жалюзі
• Пази для різання факела/долото
• Механічні шліци

Ну екрани, як правило, виготовлені з нержавіючої сталі, монель металу, спеціального нікелевого сплаву, кремнію червоної латуні, червоної латуні, спеціальної легованої сталі та пластику. Вони розбиті на три (3) основні категорії, які включають безперервні слоти, бар, і дротяні екрани.

Фрезеровані пази зазвичай виготовляються того ж типу та діаметру, що і обсадна труба. Отвори машинно фрезеруються (врізаються) в стінку обсадної труби паралельно осі обсадної труби і рівномірно розташовані навколо обсадної труби.

Утворені жалюзі обробляються горизонтально до осі кожуха отворами, зверненими вниз. Вони мають форму для створення висхідного потоку, коли вода потрапляє в колодязь, і вони розміщуються разом вертикальними рядами.

Прорізи з факелом зустрічаються не дуже часто. Вони відносно прості в створенні, але дуже важко контролювати розмір отворів. Це має тенденцію до отримання надмірної кількості піску.

Механічні щілини зазвичай прорізають після того, як свердловина була пробурена. Отвори виконуються навпроти водоносних пластів за допомогою обсадного перфоратора, опущеного в свердловину і активованого з бурової установки. Одним з головних недоліків цього процесу є те, що отвори не можуть бути близько розташовані.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Джерело: Адаптовано LACSD із завдання 2А - Концептуальна модель розвитку східних та підбасейнів Піру Заключний звіт CH2M HILL 2006

Буріння свердловин

Для того щоб вода була витягнута з водоносного шару, необхідно спорудити (пробурити) свердловину. Існує кілька методів буріння свердловин. До більш поширених методів відносяться:

• Інструмент для кабелю
• Каліфорнійська пічна труба
• Прямий поворотний
• Зворотна циркуляція Rotary
• Повітряний роторний

Метод кабельного інструменту

Кабельний інструментальний метод буріння свердловин також називають «ударним» методом. Цей спосіб передбачає підйом і скидання важкої колони бурових інструментів в свердловину. Кабельні інструменти можуть важити понад одну (1) тонну, а свердло розриває або подрібнює консолідовану породу на менші та менші фрагменти. У неконсолідованої породі долото розпушується і розбиває матеріал. Зворотно-поступальна дія інструментів змішує подрібнені і розпушені матеріали з водою з утворенням суспензії на дні свердловини. Суспензію потрібно видалити, і це робиться за допомогою пісочного насоса або желонки. Устаткування для буріння кабельного інструменту складається з п'яти (5) компонентів; свердло, свердло, бурові банки, поворотний гніздо та кабель.

Каліфорнійська пічна труба

Цей спосіб схожий з методом кабельного інструменту. Різниця в тому, що важка желонка використовується як свердло, так і желонка. Цю важку желонку називають грязьовим соком. Кожух димохідної труби - це те, що також відрізняє цей спосіб від інших. Він використовує ламіновану сталь короткої довжини, що забезпечує додаткову міцність, на відміну від використання стандартної сталі. Гідравлічні домкрати використовуються для примусу корпусу вниз, на відміну від приводу корпусу ударними інструментами. Як тільки обсадна труба виявиться на потрібній глибині, перфоратор використовується для проколу отворів в трубі навпроти водоносного освіти.

Прямий поворотний

У міру розвитку технологій буріння збільшувалося прагнення до більшої швидкості буріння та більшої глибини буріння. При прямому обертовому способі використовується обертове свердло. Живці видаляються безперервним циркуляційним рухом бурової рідини, коли долото проникає в пласт. Долото кріпиться до нижнього кінця колони бурильної труби, яка передає обертову дію від бурової установки на долото. Бурова рідина перекачується через бурильну трубу і виходить через порти або форсунки в долоті. Рідина стікає вгору в кільцевому просторі між отвором і бурильною трубою, несучи живці в підвішеному вигляді на поверхню.

Зворотна циркуляція Rotary

Метод обертового буріння з зворотною циркуляцією був розроблений для подолання обмежень у діаметрі свердловини та глибині буріння. У цьому методі як бурова рідина використовується як вода, так і повітря, і напрямок обертання буріння змінюється. В результаті цього напрямку бурова рідина і вантаж живців переміщаються вгору всередині бурильної труби і виводяться насосом в відстійник.

Повітряний роторний

У твердих консолідованих матеріалах стандартні практики буріння складніші. Тому часто застосовується повітряний поворотний метод. Цей процес використовує стиснене повітря як буровий розчин, на відміну від бурового розчину. Повітря циркулює через центр бурильної труби через отвори в свердлі. Для того, щоб пробити консолідований матеріал, необхідний тиск від 100 до 250 фунтів на квадратний дюйм (psi). Процес видалення живців вимагає висхідних швидкостей повітря не менше 3000 футів на хвилину.

Неглибокі свердловини

У деяких районах рівень грунтових вод дуже неглибокий. Зазвичай вони знаходяться в районах, прилеглих до проточних русел річок і озер. У цих районах поверхнева річкова та озерна вода може використовуватися як питний запас. Однак поверхневі води вимагають значної кількості обробки, щоб видалити каламутність (осад). Це може коштувати досить дорого. Однією з переваг підземних вод є природна фільтрація, яку забезпечують геологічні утворення. На цих ділянках часто використовують неглибокі колекторні колодязі. Траншеї риються близько десяти (10) до двадцяти (20) футів глибиною і екранована труба прокладається горизонтально до берега річки або озера. Залежно від типу навколишнього грунту ці труби часто радіально приводяться в рух. Кесони (водонепроникні підпірні конструкції) використовуються для отримання доступу до дна струмка або іншого водойми. Поширеним неглибоким колектором типу є Ranney.

Ось анімація побудованого колодязя.

свердловинні насоси

Кілька термінів слід визначити, перш ніж обговорювати класифікацію і типи насосів, що застосовуються для свердловин. Ці терміни є загальними термінами, що стосуються вхідної та вихідної сторони всіх насосів. Тиск - це поняття безперервної сили, що чиниться на об'єкт або проти нього, тоді як «голова» зазвичай використовується, оскільки вона оцінює здатність насоса виконувати роботу. Для цього обговорення як тиск, так і голова будуть вважатися взаємозамінними. Тиск виражається у вигляді фунтів на квадратний дюйм (psi) і голова виражається в футах.

Всмоктувальна головка, всмоктуючий підйомник та нагні

Вхідна сторона насоса називається всмоктувальною головкою або всмоктуючим підйомником. Всмоктування, посилаючись на «смоктання» або тягне аспект рідини, що надходить в насос. Якщо рідина знаходиться над вхідною стороною насоса, її називають всмоктувальною головкою. Це пов'язано з тим, що рідина забезпечує тиск на вхідну або всмоктувальну сторону насоса. По суті, це допомагає насосу проштовхувати воду через насос і на сторону скидання насоса. Якщо перекачується рідина знаходиться нижче сторони всмоктування, то насосу доводиться «смоктати» або піднімати воду вгору до насоса. Це називається всмоктуючим підйомником. Нагнітальна головка відноситься до вихідної сторони насоса, яка «виштовхує» рідину назовні.

Існує дві основні класифікації насосів для свердловин: позитивне зміщення та змінне переміщення. До загальних типів кожного можна віднести:

• Поршень (позитивне переміщення)
• Поворотний (позитивний зсув)
• Відцентровий (змінний об'єм)
• Турбіна (змінний об'єм)
• Jet (змінна водотоннажність)

Свердловинні насоси з позитивним витісненням забезпечують однаковий об'єм або потік води проти будь-якого тиску напору в межах робочої потужності. Типовими типами є поршневі (поршневі) насоси і гвинтові або видавлювальні (мембранні) насоси.

Колодязні насоси змінного об'єму подають воду з тим об'ємом або витратою, що змінюються обернено з напором (чим більше напір, тим менше обсяг або витрата), проти якого вони працюють. Основними типами є відцентрові, струменеві та повітряні насоси.

Існують різні види використання для кожного типу насосів у всій галузі водоканалу. Однак турбінні насоси переважно використовуються для грунтових свердловин. Оскільки грунтові води знаходяться на різній глибині під землею, це лише є причиною того, що можуть бути різні типи «турбінних» насосів для підняття цієї води з землі.

• Неглибокі свердловинні насоси - Коли свердловина будується в неглибоких водоносних системах. Неглибоке може бути відносним терміном, але в цьому контексті припустимо, що він знаходиться в межах п'ятдесяти (50) футів нижче поверхні землі. За цих обставин над свердловиною встановлювався б неглибокий колодязний насос. Було б приймати воду зі свердловини за допомогою всмоктувального підйомника. Критичне питання - рівень води повинен знаходитися в межах «підйомної» потужності насоса
• Насоси для глибоких свердловин - Оскільки багато свердловин пробурені глибше п'ятдесяти (50) футів, більшість насосів не можуть «підняти» воду вище цих глибин, коли вони встановлені над свердловиною. Тому використовуються глибинні насоси для свердловин. Ці типи турбінних насосів мають ряд насосних чаш, встановлених в свердловині з вхідним (всмоктуючим) ділянкою насоса, зануреним нижче рівня накачування в свердловину.

Оскільки тиск може бути виражений як в одиницях psi, так і в футах, повинен бути спосіб перетворення між ними. Один фунт на квадратний дюйм дорівнює трохи більше двох футів. Дивіться приклад нижче.

• 1 фунтів на квадратний дюйм = 2,31 футів (голова)

Якщо насос має напір нагнітання 100 фунтів на квадратний дюйм, скільки футів це дорівнює?

• 100 фунтів на квадратний дюйм = 231 футів на дюйм

Хоча цей текст обговорює аспекти математичних обчислень, пов'язаних з водою, рекомендується взяти конкретні курсові роботи з математики гідротехнічних споруд.

Вимірювання рівня грунтових вод

Важливим набором даних, пов'язаних з грунтовими колодязями, є вимірювання води нижче поверхні землі. Існує два загальних вимірювання в свердловині грунтових вод: статичний і насосний. Статичний рівень води всередині свердловини - це глибина води під поверхнею землі, коли свердловина не працює. На відміну від цього, рівень відкачування - це міра нижче поверхні землі, коли свердловина працює. Діаграма нижче ілюструє ці два терміни.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Зображення COC OER ліцензовано відповідно до CC BY 4.0

У цій схемі є ще кілька важливих термінів. Просадка - це різниця між прокачуванням і статичним рівнем води. Цей рівень визначає відстань, на яку рівень води падає, коли свердловина вимкнена та коли вона працює. Також зображено на схемі щось іменоване конусом поглиблення. На рівень води в водоносному шарі впливає тільки свердловина, що проходить в межах певної ділянки навколо колодязя. Ця область «депресії» тягне воду вниз глибше ближче до колодязя і чим далі від колодязя ефект менше. Звідси і виникає ефект «конусоподібної» форми. Відстань від центру свердловини до найдальшої ділянки, де виникає ефект депресії, називається радіусом впливу. Ці вимірювання допомагають в аналізі здоров'я підстилаючого водоносного шару і ефективності свердловини.

Зразки питань

1. Якщо авіаперевізник вимірювальний прилад використовується для вимірювання глибини до підземних вод відображає тиск 125 фунтів на квадратний дюйм, яка глибина в футах?
   1. 125 футів
   2. 289 футів
   3. 54 футів
   4. Жодне з перерахованих вище
2. Незамкнутий водоносний шар - ___________.
   1. Більш схильний до забруднення, ніж замкнутий водоносний шар
   2. Менш схильний до забруднення, ніж замкнутий водоносний шар
   3. Зазвичай глибоко всередині земної кори
   4. Чи не поширене джерело води для водоканалу
3. Використовується зондуюча трубка ___________.
   1. Почути, чи правильно працює двигун
   2. Для перевірки течії свердловини
   3. Для вимірювання глибини до грунтових вод всередині колодязя
   4. Щоб перевірити, чи працює свердловина належним чином
4. Який з наступних матеріалів не є загальним екраном свердловини?
   1. Нержавіюча сталь
   2. Залізо
   3. монель метал
   4. Спеціальний нікелевий сплав
5. Кільцеве ущільнення зазвичай виготовляється з ___________.
   1. Пластикові
   2. Сталеві
   3. Бентонітова глина
   4. Все вищесказане