Гидравлика фильтров гидрогеологических скважин

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Гидравлика фильтров гидрогеологических скважин

28.07.2020

Эффективность работы фильтров скважин па воду определяется выполнением ими основных функций, связанных с предотвращением суффозионного выноса пород из скважины при незначительных гидравлических потерях. При этом стремление исключить пескование скважин даже в самых незначительных размерах приводит к созданию конструкций с весьма большими гидравлическими сопротивлениями, что в конечном счете приводит к уменьшению дебитов водозаборных скважин и увеличению строительных и эксплуатационных затрат.

До недавнего времени считалось возможным характеризовать гидравлические параметры фильтров скважин на воду путем оценки некоторых геометрических свойств водоприемной поверхности: размера и формы отверстий, их ориентации по отношению к оси скважины, скважностью фильтра. На этой основе была предпринята попытка оценить сопротивление скважины с меридионально-симметричной конструкцией забоя, т. е. для случая вскрытия продуктивного (водоносного) пласта меридионально-симметричной системой ориентированных отверстий. Такой подход к оценке гидравлики фильтров позволил сформулировать требования к скважинам с двойным несовершенством (несовершенством по степени и характеру вскрытия пласта). В максимальной степени указанные проработки оказались справедливыми для случаев вскрытия нефтяных коллекторов и скважин на воду системой пулевой перфорации, при устройстве скважин в относительно устойчивых породах, когда исключено их прямое наложение на водоприемную поверхность. Рассматриваемый гидродинамический подход к конструированию фильтров скважин оказался плодотворным в том отношении, что позволил изучить общие закономерности влияния формы отверстий, их ориентации и скважности на приток к ним жидкости или газа. Работами за рубежом и в нашей стране было показано, что существует оптимальная скважность фильтра, превышение которой не приводит к сколько-нибудь значительному приращению притока. Одновременно гидродинамический анализ свидетельствовал о предпочтительности устройства фильтров с горизонтально ориентированными целями в сравнении с круглой перфорацией или прямоугольными щелевыми отверстиями.

Вместе с тем, последующие исследования скважин, оборудованных фильтрами, показали, что даже при оптимальном, с геометрической точки зрения, фильтре в пределах пласта гидравлические потерн в непосредственной близости от скважины практически во всех случаях оказывались значительными. Последующее разрешение этого кажущегося противоречия шло двумя путями. Одно направление исследований исходило из некоторой обобщенной характеристики фильтра и прифильтровой зоны, безразмерного параметра е (показатель скин-эффекта), суммируемого с сопротивлениями пласта и отражающего суммарное влияние несовершенства скважин по характеру вскрытия пласта, а также деформаций пород в призабойной зоне при бурении и прокачке скважины. С введением е понижение уровня в скважине, работающей с постоянным расходом Q, для времени t, представляется в виде
Гидравлика фильтров гидрогеологических скважин

где km — коэффициент водопроводимости (k — коэффициент фильтрации, m — мощность пласта); а — коэффициент пьезопроводности; rc — радиус скважины.

Выяснению физической природы параметра e и его детализации посвящены многочисленные зарубежные и отечественные работы.

В общем случае

где e1 и e2 — показатели сопротивлений, определяемые соответственно несовершенством по степени и характеру вскрытия пласта. В свою очередь

Здесь индексами ф, п и н.л обозначены составляющие скин-эффекта, обусловленные соответственно фильтром, породой и отклонением от линейного режима фильтрации. В частном случае, при сохранении линейного закона течения на всем пути фильтрации показатель скин-эффекта (обобщенного сопротивления) е2 является суммой сопротивления фильтра и прифильтровой зоны с измененной проницаемостью.

В формуле (228) параметрами собственно конструкции фильтра являются составляющие е2ф и е2н.п, хотя, строго говоря, степень освоения скважин, а следовательно, и величина е2п в значительной мере определяются конструкцией фильтра. Действительно, если представить, что в скважине установлен относительно тонкопористый фильтр блочного типа, то освоение такой скважины будет крайне затруднительно вследствие малой пропускной способности этой конструкции. Комплексность параметра е2 позволяет его считать одним из важнейших и наиболее показательных параметров,, характеризующих качество работ по бурению, освоению, оборудованию скважин. В то же время, эта комплексность делает неявными достоинства и недостатки тон или иной конструкции фильтра вследствие несоизмеримости величины е2ф, с одной стороны, и е1, е2п (особенно при вскрытии водоносных пластов с промывкой глинистым раствором), — с другой.

Поэтому величиной е2ф наиболее целесообразно пользоваться при полевых исследованиях или в лабораторных экспериментах при оценке характера взаимодействия водоприемной поверхности фильтра и гравия (песка) разного состава в условиях, близких к натурным. Экспериментальными данными фиксируется уменьшение сопротивлений с ростом скважности. Аналогично могут быть проанализированы и другие геометрические характеристики водоприемной поверхности. Однако опыты по определению е2ф в лабораторных условиях оказываются довольно громоздкими и трудоемкими, а, кроме того, ввиду сложности формирования, близкой по фильтрационным свойствам прифильтровой зоны, в разных опытах они не всегда воспроизводятся.

В этих условиях правомерен поиск менее трудоемкой методики опытов, позволяющих оценивать гидравлику конструкций фильтров и производить их сравнительные исследования. При этом весьма важной представлялась разработка рекомендаций по гидравлической оценке фильтров со сложной водоприемной поверхностью, а также включающих сочетание каркаса и водоприемной поверхности.

Гидравлическими параметрами такого рода могут являться коэффициент расхода и некоторые характеристики скважности фильтра, зависящие от скважности каркаса, водоприемной поверхности и характера их изменения при наложении водоносных пород (гравийных обсыпок) на водоприемную поверхность или коэффициент водопроницаемости фильтра. Отличительной особенностью этих параметров является обобщенная характеристика ими собственно фильтра (а не прифильтровой зоны скважины), находящегося в контакте с водоносной породой или гравийной обсыпкой.

Потери напора на фильтре скважины на воду определяются соотношением

где Ahф — потерн напора на фильтре; V — максимальная скорость движения воды в фильтре; н — параметр, зависящий от конструктивных особенностей фильтра (н=un; u — коэффициент расхода, n — скважность фильтра); l и D — соответственно его длина и диаметр. Гидравлический параметр х определяют экспериментально в лотке или в полевых условиях при проведении расходометрии в скважинах, каптирующих однородный в разрезе водоносный горизонт.

Детальные лабораторные исследования позволили выявить наиболее благоприятные в гидравлическом отношении конструкции, а также выявить оптимизирующие характеристики для той или иной конструкции фильтра. Наиболее достоверные значения н получают при моделировании фильтров в грунтовом лотке, когда имитируют контакт фильтра с породой.

Величина параметра н = un существенно зависит от характера контактирующих с фильтром пород и при прочих равных условиях изменяется с уменьшением размера зерен пород в прифильтровой зоне в 2—3 раза.

Величину н можно определить в лабораторных условиях, в грунтовом радиальном лотке при оценке закономерностей распределения потерь напора или входных скоростей по высоте фильтра. Как и при определении показателя обобщенного сопротивления фильтра и прифильтровой зоны (скин-эффект), опыты требуют довольно значительных затрат времени, связанных с необходимостью обеспечения идентичных условии загрузки лотка и воспроизводимости опытов. Оценка параметра н возможна в полевых условиях при рассмотрении гидрогеологических скважин, каптирующих однородный пласт. Исследованиями Э.А. Грикевича показано, что распределение входных скоростей по длине фильтра описывается соотношением

где Vвх — входная скорость воды в любом сечении l по высоте фильтра, м/с; Vo— входная скорость воды в начальном сечении фильтра при l = 0,м/с; D — внутренний диаметр фильтра (скважины), см.

В лабораторных условиях параметр un) находят по следующей формуле:

где АН' — разность пьезометрических уровней снаружи и внутри фильтра в конечном сечении, м; Q — количество воды, протекающей через фильтр.

Очевидно, что чем больше значение параметра un, тем меньше абсолютная величина входного сопротивления фильтра. Рассмотрение закономерностей изменения коэффициента расхода фильтра р в зависимости от размера контактирующих зерен показывает, что р уменьшается с уменьшением размера контактирующих с фильтром зерен. Важным конструктивным выводом, следующим из изменения параметра un для разных фильтров, является необходимость увеличения их скважности и придания отверстиям гидравлического совершенства, обусловливающего увеличение коэффициента расхода и снижение потерь.

Если анализ фильтров по значениям e2ф позволяет формулировать требования к их конструкциям с учетом геометрических характеристик и учитывать несовершенство по характеру вскрытия пласта при фильтрационных расчетах, то параметр н позволяет оценивать не только гидравлические особенности фильтра, но и скважину в целом. В частности, этот параметр определяет степень неравномерности нагрузки водоприемной части фильтра и, следовательно, если исходить из необходимости обеспечения равномерного притока по высоте фильтра следует задаваться неравномерной скважностью по высоте фильтра или таким соотношением l и D, при котором гидравлические потери сведены до минимума при определенном притоке в скважину. На рис. 32 приведена зависимость, полученная М. Солимэном и описывающая соотношение между расходом в различных сечениях фильтра и оптимальными расстояниями от низа фильтра без и при наложении гравийной обсыпки. Из графика следует, что около 80—90% суммарного расхода приходится на верхние 40% длины фильтра. Эффективно работающая часть фильтра зависит в каждом конкретном случае от его гидравлических характеристик (un) и диаметра фильтра. Этот параметр имеет важное значение и при обработке данных расходометрии гидрогеологических скважин с целью оценки неоднородности водоносных пород в разрезе с тем, чтобы вновь выявить раздельное влияние на неравномерность притока гидравлики фильтра и фильтрационной неоднородности пласта.

Оба охарактеризованных параметра фильтров скважин весьма показательны и их применение эффективно при различных видах гидрогеологических работ, однако существенным недостатком является их некоторая абстрактность и необходимость проведения дополнительных расчетов для оценки гидравлических потерь или дополнительного понижения уровня, связанного с установкой в скважину фильтра.

Более очевидным и показательным параметром фильтра является его гидравлическая проницаемость или коэффициент фильтрации. Прямое сопоставление коэффициента фильтрации фильтра и проницаемости водоносных пород позволяет сделать вывод о рациональности установленной конструкции: при проницаемости фильтра, большей, чем пластовая, можно говорить, об эффективно подобранной конструкции.

Величину коэффициента фильтрации фильтра использовали и ранее в отечественной гидравлике при оценке эффективности фильтров блочного типа. При расчете использовали откачиваемый через фильтр расход воды и разность уровней внутри фильтра и в прифильтровом пьезометре. В других конструкциях (фильтрах-каркасах, фильтрах с дополнительной водоприемной поверхностью, фильтрах с отклонителями гравия и др.) оценка гидравлических потерь на стенке фильтра оказывалась затруднительной, кроме того, показания прифильтрового пьезометра не являются представительными, так как влияние несовершенства по характеру вскрытия пласта прослеживается на расстояниях, равных двум-трем диаметрам фильтра. Оценить это несовершенство, т. е. влияние фильтра скважины прямым измерением (подобно блочному фильтру), практически невозможно, а смысл такого исследования сводится к определению совокупного влияния деформаций линий тока на изучаемый показатель — водопроницаемость фильтра.

Исследования такого рода теоретически были обоснованы еще Н.А. Огнльви и С.А. Колем в 1963 г. н широко использованы а ФРГ Д. Клотцем для изучения гидравлических характеристик фильтров различных конструкций, выпускаемых серийно в ФРГ и США.

Н.А. Огильви, наблюдая разбавление индикатора во времени по одиночной скважине, обнаружил, что конструкция скважины и состояние ее призабойной зоны существенно влияют на скорость фильтрации, определяемой этим методом. Количественно степень нарушения фильтрационного потока оценивается коэффициентом а, входящим в формулу для расчета естественной скорости потока подземных вод

где r1 — внутренний радиус фильтра; r0 — радиус детектора; С — концентрация индикатора во времени; C0 — концентрация индикатора в начале опыта при t = 0; а — показатель, характеризующий степень нарушения фильтрационного потока поверхностью фильтра.

С.А. Коль показал, что в беефильтровой скважине а = 2. Если же в однородном водоносном пласте установлен фильтр с заданной проницаемостью K1 без гравийной обсыпки и K2=K3 (где K2 — проницаемость гравийной обсыпки; K3 — проницаемость водоносного пласта), то, согласно решению Н. А. Огильви,

где r2 — наружный радиус фильтра.

Если же скважина имеет гравийную обсыпку с проницаемостью К2 в радиусе r3 величина а выражается функцией

Сущность методики оценки водопроницаемости заключается в определении величины а на основе индикаторных исследований и последующих расчетов проницаемости фильтра K1 при известной проницаемости гравийной обсыпки и водоносных пород


Из приведенных зависимостей следует, что существует принципиальная возможность проведения как расчета, так и моделирования по двум схемам. Первая схема основывается на использовании формулы (235), которая применима в случае равенства проницаемостей пласта и прифильтровой зоны. Вторая схема предполагает неравенство коэффициентов фильтрации пласта и прифильтровой зоны, что может быть достигнуто устройством гравийной обсыпки.

Схема моделирования основывается на создании в прямоугольном лотке с загрузкой песком или другими фильтрующими материалами потока, проходящего через скважину, и фиксировании степени разбавления индикатора во времени. Наряду со сравнительными исследованиями той или иной конструкции фильтра по величине коэффициента фильтрации была предпринята попытка связать этот параметр с геометрическими характеристиками той или иной конструкции, в том числе с величиной скважности. В качестве исходной зависимости для расчета потерь напора на фильтре используется формула для определения гидравлических потерь на прямолинейном участке трубы произвольного сечения

где AP — потери напора в трубе на участке длиной l; Л — коэффициент гидравлического сопротивления; р — плотность воды; w — скорость движения воды, осредненная по поперечному сечению трубы; rн — гидравлический радиус.

При ламинарном течении

где S — показатель сопротивления трубы; Re — число Рейнольдса; — коэффициент вязкости.

С учетом Л по уравнению (229) потери напора можно выразить соотношением

Показатель сопротивления трубы S зависит от формы ее поперечного сечения, для круглых труб S=8, а для труб прямоугольного сечения значения S могут быть получены по графику, приведенному на рис. 33 в зависимости от ширины трубы b и ее высоты h.

Потери давления в одной щели фильтра по аналогии с трубами, согласно уравнению (240), составляют

где AP — потери напора при прохождении водой участка щели (r2—r1) V(r1) — средняя скорость движения воды в щели фильтра.

В формуле (232) учитываются только потери напора, вызванные трением в трубах. Ho при прохождении воды через стенку фильтра, кроме того, сказываются гидравлические потери вследствие изменения живого сечения потока и сопротивления, обусловленного наличием застойных зон в пределах непроницаемых участков фильтра. Такой характер течения учитывается параметром T (коэффициентом сопротивления фильтра), входящим в зависимость для оценки градиента потока

При соблюдении в области фильтрации линейного закона Дарси имеем

и из (233) получаем проницаемость фильтра

Если считать ускорение свободного падения, плотность и вязкость постоянными величинами, то по уравнению (244) получим проницаемость как функцию скважности фильтра и формы щелей, выраженную через показатель rн/ST. Гидравлический радиус щели связан с ее геометрическими параметрами и различен при разных форме и размере отверстий. Показатель же сопротивления T может быть определен только экспериментально.

Установлено, что T связан с геометрическими характеристиками фильтра следующей зависимостью:

Величина С зависит от типа фильтра, а' — произвольно выбранная постоянная величина (здесь а' = 50 мм).

Таким образом, для группы щелевых фильтров при ламинарном режиме фильтрации величина их коэффициента фильтрации определяется скважностью, параметрами rн и Т. Значения n, rн приведены в табл. 25, а графики изменения параметра T от гидравлического радиуса щели на рис. 34.

Исследованиями Д. Клотца показано, что для фильтров с горизонтальными фрезерованными щелями уравнение (244) неприемлемо, так как не выполняется условие постоянства скоростей по площади щели. Поэтому для рассматриваемых конструкций получены лишь экспериментальные соотношения для оценки коэффициента фильтрации в зависимости от высоты и ширины щели, которые будут проанализированы ниже.

Модель для описания гидравлики фильтров с отклонителем гравия в виде мостообразных отверстий или ребристости требует введения новых показателей, которые учитывают деформацию линий тока, связанную со сложным строением водоприемной поверхности.

В качестве параметра для описания этих искажений потока вводится критерий Деана (De), с помощью которого в трубной гидравлике учитываются потери напора в криволинейных трубах

где rн — гидравлический радиус трубы; V — скорость движения воды в трубе, осредненная по ее сечению; v — коэффициент кинематической вязкости; R1 — радиус кривизны трубы.

Потери напора в криволинейном сечении трубы выражаются формулой

где Л = 4S/Rе — коэффициент сопротивления криволинейного участка трубы; S — показатель сопротивления трубы; l — длина трубы; ф(Dc) — функция от числа Деана.

Из уравнения (238) по аналогия с щелевыми фильтрами следует формула для расчета проницаемости фильтра с мостообразными отверстиями

Лабораторные исследования фильтров с мостообразными отверстиями при прямоугольном и трапецеидальном профилях мостов позволили установить, что при заданной величине бокового отверстия w увеличение ширины щелей b1 и, следовательно, скважности ns (по площади щелей) приводит к заметному росту A1 до тех пор, пока b1 меньше 2. При b1 больше 2w соответственно nb больше 1 (nb — скважность по боковым отверстиям) приращение скважности практически не сказывается на изменении проницаемости фильтра.

При сохранении постоянной ширины щели b1 проницаемость фильтра возрастает с увеличением размера бокового отверстия, т. е. с ростом скважности, определенной площадью боковых отверстий. Увеличение проницаемости фильтров Kt наблюдается даже при ns больше 0,3. Поскольку влияние ns существенно значительнее на приток к фильтру по сравнению с nb, при расчетах правильнее использовать отношение площади боковых отверстий к общей площади поверхности фильтра.

Другие параметры, входящие в уравнение (249), определяются следующим образом:

Показатель сопротивления трубы S определяется по графику на рис. 33, но по оси абсцисс берется отношение w/h1. Для оценки коэффициента сопротивления T используется график на рис. 34, составленный на основе экспериментальных исследований.

Обобщенные данные о проницаемости фильтров различных конструкций приведены на рис. 35. Максимальной проницаемостью характеризуются каркасно-проволочные конструкции, а фильтры с мостообразными отверстиями имеют некоторые преимущества на сравнению с фильтрами с открытыми щелями.

Изучение щелевых фильтров с ребристой водоприемной поверхностью, в которых ребра играют роль отклонителя гравия, показало, что проницаемость пластмассовых фильтров с удлиненными вертикальными щелями и продольными ребрами может оцениваться по формуле (250) с определением коэффициентов S и T соответственно по графикам на рис. 33 и 34.

Исследования фильтров из ПBX показали, что проницаемость ребристых фильтров при скважности более 0,02 связывается линейной зависимостью со скважностью.

Сравнение фильтров одинакового диаметра (51 мм) с вертикальными щелями ребристых и неребристых показывает, что проницаемость первых несколько выше (рис. 36).

Аналогичная зависимость прослеживается и при анализе данных исследований фильтров со щелями в горизонтальной плоскости (фильтры SBF-OBO фирмы «Schonebecker»). Графики изменения проницаемости ребристых фильтров свидетельствуют об их лучших фильтрационных характеристиках по сравнению с конструкциями с гладкой водоприемной поверхностью.

В фильтрах с дополнительной водоприемной поверхностью, например сеткой, действующая скважность оценивается как произведение скважностей каркаса n' и сетки n". В сетках галунного плетения (где d1 — толщина проволоки основы; d2 — толщина проволоки утка) и w1 больше w2 (w1 и w2 — размеры отверстий в горизонтальной и вертикальной плоскостях). Скважность сеток квадратного и киперного плетения определяется по формуле

(w — размер отверстия; d — диаметр проволоки), а сеток галунного плетения из выражения:

Экспериментально определенная проницаемость фильтров с сетками киперного и галунного плетений не превышает 0,4 см/с, т. е. в десятки раз меньше проницаемости фильтров-каркасов со щелевыми отверстиями.

Еще одна важная разновидность фильтров — конструкция блочного типа была исследована Д. Клотцем с каркасами, имеющими открытую щелевую перфорацию и мостообразиые отверстия (фильтры фирмы «Hagusta»). Проницаемость фильтра с каркасом определяется по формуле

где Кф и Кб — проницаемость соответственно каркаса и блоков; bф и bб — толщина стенки соответственно каркаса и блока.

Характерно, что при увеличении толщины пористого фильтрующего блока K1 становится близкой к проницаемости пористого элемента, а при ее уменьшении сказывается в основном проницаемость каркаса, Осредненная проницаемость блочных фильтров на стальном каркасе с размером частиц гравия в блоке 0,4-0,7, 1,2; 2—3 и 3—5 мм находилась в пределах 0,3—5,1 см/с.

Дальнейшие возможности совершенствования гидравлики блочных фильтров, сводящиеся к применению в блоках взамен природного гравия гранулированных пластмасс, показали, что однородность этого материала обеспечивает при относительно меньшем размере зерен получение большей водопроницаемости. Так, при сравнительных испытаниях фильтров «Hastrol» и блочных фильтров с размером зерен соответственно d50 = 2,8 и 3,4 мм, в пластмассовой конструкции пористость оказалась несколько выше — 29,8% (пористость блочного фильтра из природного гравия — 24,6%), а проницаемость составила 2,9 и 2,2 см/с. Следовательно, появляется принципиальная возможность улучшения гидравлики фильтров с одновременным предотвращением суффозии. Однако, как и всегда при характеристике блочных фильтров, весьма важным остается изучение кольматируемости блоков в процессе освоения и эксплуатации скважин.

Оценка водопроницаемости фильтра на промышленной модели, по существу, позволяет избежать необходимости учета геометрии его водоприемной поверхности, что часто оказывается затруднительным, особенно при наличии различного рода элементов на ней, а также нескольких фильтрационных перегородок. Вместе с тем методика проведения экспериментов не является тривиальной и для однозначной интерпретации опытных данных необходим ряд пояснений.

Для оценки возможности реализации каждой схемы, а также погрешности, обусловленной характером зависимости получаемого решения от входных данных, были проведены расчеты на ЭВМ «Наири-к» для нескольких типов фильтров при различных параметрах фильтров и пластов. Результаты расчетов каркасно-стержневых фильтров показывают, что проведение моделирования по первой схеме эффективно для фильтров, характеризующихся низкими фильтрационными свойствами (К1<0,5 см/с). Расширение возможностей этой схемы наблюдается при увеличении коэффициента фильтрации моделируемого пласта. Принимая в качестве критерия величину К3/К1=A, при погрешностях вычисления а и К1, равных соответственно 5 и 20%, для фильтра с проницаемостью К1 = 6 см/с схема применима при А = 3,4 (для пласта, состоящего из частиц диаметром порядка 10 мм). Практическое осуществление таких опытов вызывает определенные затруднения.

Моделирование по второй схеме (с гравийной обсыпкой) более предпочтительно, так как появляется возможность не только расширения интервала исследуемых конструкций фильтров, но и более оперативного его изменения. Это достигается при постоянной проницаемости пласта увеличением как коэффициента фильтрации обсыпки, так и ее радиуса. Комбинацией указанных величин в каждом конкретном случае можно подобрать оптимальный вариант схемы моделирования. Интервал изменения а, в пределах которого погрешность вычисления K1 не превышает заданной величины определяется по формуле

ba — относительная погрешность а; bк — относительная погрешность Ku

Увеличение коэффициента фильтрации применяемой обсыпки в 7 раз при ее радиусе 110 мм позволяет увеличить диапазон исследуемых фильтров до значений K1 = 5,2 см/с. Изменение радиуса гравийной обсыпки также расширяет пределы возможного определения коэффициента проницаемости, так, при К2=9,2 см/с и r3=11 см можно исследовать фильтры с K1 < 3 см/c, а при увеличении r3 до 50 см — с К1 < 5,0 см/с.

Таким образом, при определении гидравлических параметров, фильтров на основе индикаторных исследований более перспективной представляется схема моделирования водоприемной части скважины с устройством гравийной обсыпки. Без гравийной обсыпки могут исследоваться слабопроницаемые фильтры. Использование для оценки погрешности формулы (254) позволяет выделить интервалы изменения а для выбранных параметров модели, в которых вычисление коэффициента водопроницаемости может производиться с точностью в пределах заданной. Проведение таких расчетов позволяет значительно уменьшить время моделирования, хотя в общем случае для этого необходимо также априорное задание возможных пределов изменения коэффициентов проницаемости исследуемого фильтра.

Указанные положения являются основой для оценки гидравлических параметров фильтров методом индикаторных исследований, легко осуществимых как в организациях, производящих фильтры, так и в лабораториях, занимающихся разработкой и гидравлическим обоснованием различных конструкций.

Обработка опытных данных заключается в графо-аналитическом расчете величины а по прямолинейному участку графика In Со/С—t и оценке коэффициента водопроницаемости фильтра.

Интерпретация результатов экспериментов показала, что опытные данные в указанных координатах не сразу аппроксимируются прямой линией. На графике обычно отмечается точка перегиба, причем на начальном участке изменение концентрации происходит с большей интенсивностью (рис. 37). Особенно четко такой участок выражен в опытах с крупнозернистыми обсыпками, уменьшение же диаметра зерен обсыпки заметно сокращает его величину во времени. С увеличением скорости фильтрации Vф перегиб на графике выражается менее резко и становится практически незаметным в наблюдаемых интервалах времени (см. рис. 37, линия 4). Такой характер зависимости концентрации от времени, видимо, обусловлен тем, что в начале опыта наблюдается усиленная конвекция и конвективная диффузия растворенного вещества вследствие разности плотностей и концентраций растворов в порах породы и внутри фильтра. Увеличение размера пор обсыпки создает благоприятные 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 водопроводимости фильтров по начальному участку необходимо учитывать процессы диффузии и весовой конвекции, в противном случае получаются завышенные значения. Поскольку зависимость (235) получена при пренебрежении диффузией индикатора из опытной скважины, во всех экспериментах. когда получают точку перегиба на графике In Со/С—/, для расчетов необходимо использовать второй участок.

Приведенные результаты экспериментальных исследований различных конструкций фильтров в этом отношении не позволяют сделать вывода о том, какой участок графика In С0/С f(t) был положен в основу вычислений. Однако Д. Клотц приводит сведения о критических скоростях, при которых нарушается линейный закон фильтрации. Поскольку при больших скоростях потока в максимальной степени реализуется расчетная схема, правильнее говорить о соответствии действительной водопроницаемости, полученной при разбавлении индикатора в потоке без учета конвекции Ii дисперсии.

Исследования позволяют заключить, что наиболее благоприятные гидравлические характеристики имеют фильтры каркасно-проволочного типа, проницаемость которых в несколько раз выше проницаемости щелевых фильтров с открытой перфорацией и с отклонителем гравия и существенно выше проницаемости сетчатых и блочных фильтров. Следует отметить, что каркасно-проволочные конструкции имеют максимальную скважность, которая легко реализуется благодаря особенностям их устройства. Из гидравлических исследований также следует вывод, что увеличение скважности играет более значительную роль, чем усложнение водоприемной поверхности отклонителем гравия, служащим для уменьшения контактных потерь напора.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: