автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии устройства водозаборных скажин, устойчивых к действию динамических нагрузок

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РГБ ОД

Гайдо Антон Николаевичз С г,;;;. ¿/.О

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН, УСТОЙЧИВЫХ К ДЕЙСТВИЮ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.23.08 - «Технология и организация промышленного и гражданского строительства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре «Технология строительного производства» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Верстов В.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Неснов В.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лукин В. М.

Ведущая организация - ООО «АКВА»

Защита диссертации состоится « 2.6» декабря 2000 года в /6 часов в аудитории № Ь*2Л,с на заседании диссертационного совета К 063.31.02 СПбГАСУ по адресу: 198005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « 2/) » ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

старший научный сотрудник / у Козлов Е.А.

нш . т .м -об ,о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условия действия чрезвычайных ситуаций (ЧС), характеризующихся распространением в толще грунта динамического воздействия (землетрясения, взрывы различного происхождения и т.п.), получают повреждения разной степени сложности все системы жизнеобеспечения людей, в частности различные элементы систем снабжения населения и промышленных предприятий водой, которые является одними из самых уязвимых.

Известно, что водоснабжение с помощью водозаборных скважин приобретает важное значение при действии ЧС поскольку подземные воды по сравнению с поверхностными более устойчивы при различного рода загрязнениях, вызываемых экологическими бедствиями и катастрофами.

Поэтому имеется острая потребность в поиске и разработке технологии сооружения водозаборных скважин особого рода, конструкции которых могут противостоять действию разрушающих динамических факторов, т. е. резервных скважин, которые гарантировали бы получение из них воды в самый острый период ЧС.

Анализ известных конструктивно-технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, показывает, что одним из наиболее эффективных решений, удовлетворяющих перечисленным выше условиям, являются скважины с амортизационным устройством в виде гидравлических демпферов, обеспечивающих гашение энергии волны возмущения за счет принудительного перетока вязкой жидкости.

Конструктивные особенности водозаборных скважин нового типа требуют создания особых технологий, позволяющих при минимальных затратах создать надежный источник подземного водоснабжения, устойчивый в период действия ЧС.

Цель работы заключается в проведении исследований, направленных на совершенствование технологических решений водозаборных скважин, обеспечивающих их устойчивость к действию динамических нагрузок, обосновании методики их расчета и разработке технологии устройства скважин нового типа

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- провести сравнительный анализ известных конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, по различным факторам (просго-

та конструкции, эффективность в решении поставленной задачи, технологичность устройства и т.п.);

- обосновать эффективность применения скважин с амортизирующим устройством, выполненным в виде гидравлических демпферов - поглотителей энергии волны возмущения;

- разработать математическую модель и выявить зависимости влияния на демпфирование динамической нагрузки физических свойств демпферной жидкости, геометрических размеров и количества демпферов, суммарной площади отверстий демпферов, соотношения диаметров труб в скважине;

- разработать методику расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров устройства динамически устойчивых скважин с гидравлическими демпферами;

- составить технологический регламент сооружения водозаборных скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов и проверить правомерность основных его положений на практике.

Методика исследований:

- математическое моделирование гидродинамических процессов в межтрубных пространствах скважины, вызванных динамическим воздействием, распространяющемся в грунте, сравнение полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;

- теоретическое и экспериментальное исследование технологических параметров освоения вибрационным методом водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, с их проверкой в производственных условиях;

- статистическая обработка полученных результатов исследований с применением ПК и установлением сходимости теоретических и экспериментальных данных.

Научная новизна состоит в обосновании технологических приемов и режимов, обеспечивающих динамическую устойчивость конструкции водозаборных скважин, амортизирующее устройство которых выполнено в виде гидравлических демпферов. Выявлены факторы, влияющие на процессы гидравлического демпфирования величин динамической нагрузки при принудительном перетоке вязкой жидкости, установлены зависимости и обоснованы технологические параметры, обеспечивающие эффективное протекание процессов гидравлического демпфирования в амортизирующем устройстве водозаборных скважин нового типа.

Предложена усовершенствованная конструкция скважины с гидравлическими демпферами (Заявка № 99110798/03 от 25.05.1999 в федеральный институт промышленной собственности о выдаче патента), разработана технология устройства водозаборных скважин нового типа, обоснованы рациональные параметры технологических процессов их сооружения и освоения.

На защиту выносятся следующие результаты научных исследований и разработок:

- анализ известных конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, по фактору технологичности;

- обоснование технологических параметров устройства скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов, позволяющих создать надежный источник подземного водоснабжения в период ЧС;

- установленный характер изменения гидродинамического давления в межтрубных пространствах водозаборных скважин в зависимости от действующих нагрузок и конструктивных параметров;

- аналитические выражения изменения значений гидродинамического давления, генерируемого в стволе скважин, в гравийной засыпке и пряфильтровой зоне водоносного пласта при освоении скважин вибрационным методом различными видами рабочих органов;

- рациональная технология устройства нового конструктивного решения водозаборных скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов;

- технологический регламент по особенностям проектирования и устройству водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок.

Достоверность результатов исследовании подтверждается современными методами исследований и обработки их результатов; адекватностью принятых математических и физических моделей; сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных; проведением экспериментальных исследований с использованием поверенного оборудования; проверкой основных положений новой технологии в производственных условиях.

Практическое значение и реализация работы состоят в следующем:

- в разработке усовершенствованной технологии устройства водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагру-

зок с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов;

- в составлении методики расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров устройства скважин нового типа;

- в создании ресурсосберегающей технологии устройства водозаборных скважин с гидравлическими демпферами, обеспечивающей устойчивость скважин к действию распространяющихся по грунту динамических нагрузок;

- в разработке, согласовании с производственной организацией и утверждении технологического регламента по устройству водозаборных скважин предложенного типа.

Разработанный технологический регламент принят Санкт-Петербургским ОАО «Промбурвод» для проектирования конструкций, составления проектов производства работ и последующего сооружения устойчивых в условиях действия ЧС водозаборных скважин, а технология освоения скважин вибрационным методом с использованием рабочего органа на гибкой связи проверена на целом ряде производственных объектов. Применение указанной технолог™ позволяет при минимальных трудозатратах снизить сроки освоения скважин, достигать требуемого дебита, сдавать скважины заказчику с высоким качеством и за счет этого обеспечивать успешную и длительную эксплуатацию водозаборов из подземных источников как в условиях ЧС, так и после прекращения их действия.

Технико-экономическая эффективность выполненных разработок! определяется совокупным использованием конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, методики их расчета и рациональной технологии устройства скважин нового типа.

Апробация и публикация работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках «Конкурса персональных грантов 2000 г. для аспирантов, молодых ученых и специалистов по исследованиям в области гуманитарных, естественных, технических наук Министерства образования РФ и Российской Академии наук», на котором автор был удостоен диплома. На разработанное в ходе исследований конструктивно-технологическое решение водозаборной скважины подана заявка на получение патента РФ.

Основные результаты исследований доложены на 52, 53 и 54-ой международных научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и докторантов (СПбГАСУ); школе семинаре «Реконструкция исторических городов и перспективы развития архитектурной науки» (СПбГАСУ - 24-25.9.1998); 56 и 57-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов (СПбГАСУ); школе-семинаре докторантов, аспирантов, студентов «Реконструкция» (СПбГАСУ - 6-9.12.1999); международной научно-практической конференции «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (СПбГТУ - 28-30.03.2000); третьих Савиновских чтениях (СПб - ВНИИГ им Б.Е.Веденеева - 27-30.06.2000). Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 118 наименований, приложений. Общий объем диссертации 164 стр., в том числе 40 стр. приложений, 19 таблиц и 26 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматривается состояние вопроса, цель и задачи исследований.

Вопросами совершенствования техники и технологии сооружения водозаборных скважин посвящены работы С.К. Абрамова, B.C. Алексеева, Д.Н. Башкатова, В.М. Белякова, H.H. Веригина, В.В. Верстова, Э.М. Вольницкой, В.М. Гаврилко, Б.Э. Годеса, В.Т. Гребенникова, А.Д. Гуриновича, А.И. Деревянных, С.Л. Драх-лиса, В.М. Касаткина, Г.П. Квашнина, Г.М. Коммунара, В.М. Лукина, М.Г. Оноприенко, В.А. Романенко, С.С. Сулакшина, Я.С. Сурь-еньянца, В.П. Ткаченко, В.В. Топчина, А.М. Яковлева и других.

В результате оценки работоспособности элементов системы водоснабжения из подземных источников в условиях ЧС, характеризующихся распространением в толще грунта динамических нагрузок, по фактору экономического ущерба, автором установлено, что отказ водозаборных скважин наносит наиболее ощутимый ущерб системе, почти в 5 раз превышающий аналогичные показатели других её элементов (резервуары, водонапорные башни, насосные станции и магистральные водоводы), которые можно задействовать по

временной схеме или в крайнем случае организовать развозку воды автотранспортом.

Поэтому имеется острая потребность в совершенствовании технологических решений водозаборных скважин, обеспечивающих устойчивость к действию динамических нагрузок, обосновании методики их расчета и разработке технологии устройства скважин нового типа.

Развитию способов повышения устойчивости водозаборных скважин в условиях действия динамических нагрузок способствовали работы М.И. Багза, В.В. Верстова, P.A. Галазова, Ю.А. Ильина, Р. Милна, М.Н. Климентова, А.Ф. Колиниченко, Н.И. Коммис-сарова, Д. Уотсона, А.Г. Юдина и других.

Имеющиеся решения этих авторов направлены на то, чтобы при действии волны возмущения в грунте тем или иным способом исключить взаимное соударение труб в скважине и сохранить их целостность.

При сравнительном анализе известных решений устойчивых водозаборных скважин (рис. 1) по различным факторам (простота конструкции, эффективность в решении поставленной задачи, технологичность устройства и т.п.) обоснована эффективностью применения скважин с амортизирующим устройством, выполненным в виде гидравлических демпферов - поглотителей энергии волны возмущения.

Во второй главе представлены результаты сравнительного анализа известных конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, по фактору технологичности.

Конструктивные особенности динамически устойчивых водозаборных скважин, требуют обоснования и разработки особых технологических приемов и режимов, позволяющих при минимальных затратах труда, средств и энергии создать надежный источник подземного водоснабжения в условиях динамического воздействия.

Расчет показателей монтажной технологичности выполнялся для конкретных гидрогеологических условий, свойственных Ленинградской области. Принималось, что все рассматриваемые конструктивные варианты скважин устраиваются вращательным бурением с прямой промывкой глинистым раствором.

a s© sa а

Рис. 1 Конструктивные решения водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок.

1, 2, 3, 4, 5 - кондукторная, обсадная, промежуточная, фильтровая, водоподъёмная колонны труб соответственно ; 6 - подбашмач-ная цементация; 7 - погружной насос; 8 - фильтр; 9 - пружинное кольцо; 10 - обратный клапан с пружиной; 11- пояса жёсткости; 12 - смесь песка с гранулированным полимером; 13 - жидкость; 14 -воздушная трубка; 15 - патрубок для выхода воздуха; 16 - компрессор; 17 - сейсмоприёмник; 18 - труба из эластичного материала; 19 - демпферная жидкость; 20 - гидравлический демпфер; 21 -водоносный пласт; 22 - статический уровень воды в скважине

В качестве базового варианта было принято обычное конструктивно-технологическое решение водозаборных скважин (рис. 1, А). Устойчивость к действию динамических нагрузок в каждом конкретном случае оценивалась степенью гашения динамического возмущения амортизационными устройствами скважин (в виде пружинных колец (рис. 1, Б), обратных клапанов (рис. I, В), поясов жесткости (рис. 1, Г), песчано-полимерных оболочек (рис. 1, Д), аэрированной жидкости (рис. 1, Е), гидравлических демпферов (рис. 1, Ж)).

В результате расчетов установлено, что с учетом возрастания значений интегрального показателя технологичности Т, наиболее эффективными конструктивно-технологическими решениями являются скважины с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов (см. табл. 1).

Таблица 1

Интегральные показатели оценки технологичности водозаборных

скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок

Показатель Варианты конструктивных решений скважин

А £ В Г Д Е Ж

Т 0,49 0,56 0,51 0,50 0,63 0,67 0,69

На основании полученных результатов автором совместно с В.В. Верстовым и В.В. Топчиным предложена усовершенствованная конструкция водозаборной скважины (рис. 2), устойчивой к действию динамических нагрузок, с гидравлическими демпферами.

А-А

I

повёрнуто

11

Рис. 2 Усовершенствованная конструкция водозаборной скважины с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов

1 - отстойник; 2 - фильтр, полость которого заполнена гранулированным фильтрующим материалом; 3, 16 - кольцевые заглушки; 4 - гидравлический демпфер; 5 - водоподъемная колонна труб; 6 - труба из эластичного материала; 7 - демпферная жидкость; 8 - трубопровод для подачи воды в водопроводную сеть; 9 - трубопровод для подачи демпферной жидкости; 10 - обсадная колонна труб; 11 - промежуточная колонна труб; 12 - фильтровая колонна труб; 13 - кондукторная колонна труб; 14 - погружной насос; 15 - водоносный пласт.

В этом решении за счет высокой степени гашения энергии волны возмущения обеспечивается надёжная работа скважин в условиях ЧС при гарантированной герметизации межтрубных пространств, исключающей протечки демпферной жидкости. Снижение уровня динамического воздействия достигается путем принудительного перетока вязкой жидкости через демпферы из одной межтрубной полости в другую, а повреждение водоподъёмной колонны исключается вследствие демпфирующих свойств трубы из эластичного материала, которая амортизирует водоподъёмную колонну по всей длине её установки в скважине.

Переток демпферной жидкости обеспечивает поглощение энергии динамического воздействия, распространяющегося в толще грунта, исключает искривление труб и приводит лишь к упругому деформированию их стенок.

Установлено, что в ходе подготовительных операций, предшествующих устройству скважин нового типа, для обеспечения технологичности процессов конструктивные элементы скважин необходимо собирать заблаговременно на базе буровой организации.

Третья глава посвящена разработке математической модели, выявлению зависимости влияния на демпфирование динамической нагрузки в предложенной конструкции скважины физических свойств демпферной жидкости, геометрических размеров и количества демпферов, суммарной площади отверстий демпферов, соотношения диаметров труб в скважине.

Расчетная схема приведена на рис. 3.

Обсадная труба обжата грунтом при этом принято, что ее упругая деформация происходит по схеме, представленной на рис.3, где пунктиром показано положение деформированной части обсадной трубы, которая отсекает сегмент с углом полураствора а . Промежуточная и фильтровая трубы упруго деформируются с сохранением устойчивой круговой формы. Снижение уровня динамического воздействия, распространяющегося в толще грунта, достигается путем принудительного перетока вязкой жидкости через демпферы из одной межтрубной полости скважины в другую, сопровождающегося интенсивным энергопоглощением волны возмущения. На основе изложенных соображений получены уравнения, описывающие изменения плотностей жидкости в межтрубных пространствах водозаборных скважин нового типа.

Рис. 3 Расчетная схема водозаборной скважины с демпферными гидравлическими элементами

А - поперечный разрез скважины; Б - боковая поверхность промежуточной трубы; Рв - импульс динамического воздействия; Рь Р2 - давления жидкости в межтрубных пространствах; И - единичная высота участка трубы; г2 - радиус промежуточной трубы; в(х) -внутренний радиус гидравлического демпфера; т - сила трения, действующая на демпферную жидкость; 1 - демпферная жидкость; 2 - гидравлический демпфер; 3, 4, 5 - фильтровая, промежуточная, обсадная трубы соответственно.

Для первого пространства: ¿Рл 1 9 (1а

сИ 0{ т

где - объём первого межтрубного пространства: гь г2 - радиусы обсадной и промежуточной трубы соответственно; V - скорость перетекания вязкой жидкости через демпферные гидравлические элементы; 8дМ - наименьшая площадь внутреннего сечения гидравлического демпфера; N - число демпферов; и2 - скорость движения стенок промежуточной трубы при упругом деформировании, причем направление к центру принято в качестве положительного направления скоростей.

Для второго пространства:

= +2р2Ил(г2и2-гзи,)] (2)

Л 02

где из - скорость движения стенок фильтровой трубы.

Для выявления характера изменения гидродинамического давления в межтрубных пространствах водозаборных скважин в зависимости от действующих нагрузок и конструктивных параметров были проведены численные эксперименты на ПК на основе разработанной математической модели. Данные расчетов представлены на рис. 4, 5

Ег/Вр

1 ..... ж т т 1(Р/о 5% 1

01 02

03

(14 0 {,с

01 02

03

04

Рис. 4 Зависимости гидродинамических давлений от суммарной площади отверстий демпферов Ргр - предел упругости материала труб

Рис. 5 Зависимости гидродинамических давлений от соотношения

Диаметр труб, мм Варианты конструкт, исполнений скважин

1 2 3 4

обсадных 325 377 426 529

промежуточ. 219 273 325 377

фильтровых 114 146 168 219

Из представленных графиков видно, что при действии динамических нагрузок с увеличением суммарной площади отверстий гидравлических демпферов на поверхности промежуточной трубы давление во внутреннем межтрубном пространстве Рг возрастает, а разность давлений (Р] - Р2), определяющая силу сопро-

тивления амортизационного устройства водозаборных скважин, снижается (рис. 4). С увеличением диаметров труб скважины снижается гидродинамическое давление на защищаемые трубы (рис. 5).

Достоверность полученных результатов исследований процессов гидравлического демпфирования динамической нагрузки в предложенной конструкции скважины (рис. 6) подтверждается сходимостью теоретических зависимостей с известными экспериментальными данными испытаний гидравлических амортизаторов технических систем (табл. 2).

2,5 2,0

1,5

1,0

0,5 0 .

А \ Г $> п

V \ у У /

\

у' V \

«V - —

0 1

0.04

0.08

0,12 А.

0^6 в.

мм

3,0 6,0 9,0 12,0 П, %

Рис. 6 Зависимости гидродинамических давлений от площади отверстий демпферов гидравлического амортизатора технической системы

толщины кольцевого зазора гидравлического амортизатора (Б), отношения суммарной площади отверстий гидравлических демпферов к площади поверхности промежуточной трубы (п).

экспериментальные зависимости, теоретические зависимости.

Таблица 2

Оценка сходимости теоретических и экспериментальных зависимостей

Вид зависимости а Ъ Коэфф. корреляции

АР=а-Ь"1 0,122 74,760 0,994 0,065

АР=а-Ь"ь 0,083 1,312 0,999 0,021

АР=а-Ь1/п 0,068 49,084 0,997 0,078

Установлено, что в качестве демпферных жидкостей следует применять глицерин или силикон, отвечающие требованиям оптимальной вязкости для использования в амортизационном устройство скважин нового типа. Указанные жидкости не вызывают загрязнения при попадании в водоносный пласт, обладают низкой темпе-

ратурой замерзания (- 40...- 60 °С) и стабильностью физических свойств.

Минимальную площадь отверстия демпферного элемента необходимо задавать исходя из обеспечения условий максимального энергопоглощения динамического воздействия, наблюдаемого при числах рейнольдса Re = (4-pr-V)/t> > 160 (200), где рг- гидравлический радиус отверстия; и - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

В этой связи форму гидравлического демпфера следует принимать цилиндрической, сглаженной на концах, с длиной равной толщине стенки промежуточной трубы.

С учетом последнего обстоятельства, при использовании в качестве демпферной жидкости глицерина и наружных диаметрах фильтровой, промежуточной, обсадной труб, соответственно 146, 273, 377 мм, минимальный радиус отверстий демпфера следует принимать 3 мм при суммарной площади 5% от площади поверхности промежуточной трубы.

В четвертой главе приведено обоснование технологических приемов и режимов производства работ, обеспечивающих динамическую устойчивость конструкции водозаборных скважин, амортизирующее устройство которых выполнено в виде гидравлических демпферов.

Автором установлено, что традиционные методы устройства водозаборных скважин не позволяют создать надежный источник подземного водоснабжения в условиях действия ЧС. В этой связи разработана особая технология сооружения резервных водозаборных скважин нового типа. Конструктивные элементы скважин с демпферными гидравлическими элементами в виде двух- и трехколонных телескопических секций, включая засыпной фильтр, собирают заблаговременно в условиях заготовительной базы и доставляют на буровую площадку автотранспортом. Скважины бурят вращательным способом с использованием глинистой промывки без крепления стенок трубами в интервале кондуктор - проектный забой, затем заранее изготовленные конструктивные элементы последовательно соединяют друг с другом на устье скважин сваркой и постепенно опускают в заполненный глинистым раствором ствол.

При устройстве водозаборных скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов по описанной технологии подвергаются воздействию глинистого раствора не только

ствол скважин в интервале водоносного пласта, но и конструктивные элементы фильтра, а также его засыпка, что требует осуществления эффективного восстановления проницаемости водоприемной части скважины и ее прифильтровой зоны в процессе освоения водозабора из подземного источника.

В ходе исследования было принято, что поставленная задача решается применением вибрационного метода освоения скважин, при котором в ствол скважин спускают вибрационный рабочий орган с дисками на гибкой связи (тросе).

Для необходимого обоснования эффективной реализации нового способа освоения динамически устойчивых водозаборных скважин проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях, целью которых явилось:

• изучение параметров колебаний рабочего органа при его гибкой

связи с вибровозбудителем; в определение генерируемой рабочим органом нового типа величины гидродинамического давления и сопоставления значения этого давления с оптимальными показателями, характерными для осуществления эффективной вибрационной разглинизации. Эксперименты проводились на гидродинамическом стенде (рис. 7), в котором ствол скважин был выполнен в виде трубы. К нижнему, перфорированному участку которой приварен герметичный короб, заполненный песком средней крупности (преобладающий размер частиц более 50 % по массе: 0,5 - 1 мм), моделирую ищи прифильтровую зону скважины.

Вибрационный двухдисковый рабочий орган имел шаг расположения дисков 1,3 м с наружным диаметром 98 мм и толщиной 10 мм, его спускали в скважину на тросе длиной 5 м, диаметром 6 мм и размещали на расстоянии 0,25 м от дна. В качестве вибровозбудителя был применен источник колебаний кинематического типа с вибрирующим коромыслом, размещенный в верхней части стенда.

В разных точках ствола модельной скважины и ее прифильтровой зоны было установлено 11 датчиков давления воды. Датчики располагались так, чтобы зафиксировать изменение гидродинамического давления в наиболее характерных точках стенда.

Установлено, что при параметрах колебаний рабочего органа (частота 2 Гц, амплитуда 100 - 200 мм) в столбе воды скважины возбуждается гидродинамическое давление (амплитудное значение которого равно 0,1 МПа), обеспечивающее эффективное протекание процесса вибрационной разглинизации.

Д^гчики: А-геремацаний в -напряжении □ -давлений

43

Й"

а

8

М14 ио

Р,МШ 0,125

0,100

0,075 0,050 0,025

0 1 1 ; о - жесткое соедюкние рабочего органа с ы^брсшзбудшшгм 2 -пйкоеооедокнж рабочего органа с шброюзбудигелем

1 «р 1 о 0 о

1 • о

\ < ! > \

• \ 4 д о л

V • N •. 0

% 2 ? % 1 о

• • • • •I

• • • • : • * •

С Л с ),4 С ,6 0,8 1,0 1,2

Ям

Рие. 7 Схема экспериментального гидродинамического стенда

1 - засыпка прифильтровой зоны песком; 2 - двухдисковый

рабочий орган; 3 - основная труба стенда; 4 - гибкая связь; 5 - вибровозбудитель

Рис. 8 Теоретические и экспериментальные зависимости изменения гидродинамического давления Р в стволе модельной скважины и ее прифильтровой зоне от расстояния Я между осью скважины и точкой измерения

В результате выполненных экспериментальных исследований и соответствующей математической обработки их результатов, представленных на рис. 8, получены аналитические выражения изменения значений гидродинамического давления, генерируемого в стволе скважин, в гравийной засыпке и прифильтровой зоне водо-

носного пласта при освоении скважин вибрационным методом различными видами рабочих органов:

гибкая связь Р = 0,017-0,0171п11 (3)

жесткая связь Р = 0,042 - 0,016-1п11 (4)

Разработанный технологический регламент «Технология устройства водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов» принят Санкт-Петербургским ОАО «Промбурвод» для проектирования конструкций, составления проектов производства работ и последующего сооружения устойчивых в условиях действия ЧС водозаборных скважин, а технология освоения таких скважин вибрационным методом с использованием рабочего органа на гибкой связи проверена на целом ряде производственных объектов. Применение указанной технологии позволяет при минимальных трудозатратах снизить сроки освоения скважин, достигать требуемого дебита, сдавать скважины заказчику с высоким качеством и за счет этого обеспечивать успешную и длительную эксплуатацию водозаборов из подземных источников как в условиях ЧС, так и после прекращения их действия.

Технико-экономическая эффективность выполненных разработок определяется совокупным использованием конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, методики их расчета и рациональной технологии устройства скважин нового типа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате оценки работоспособности элементов систем водоснабжения из подземных источников по фактору экономического ущерба установлено, что в условиях ЧС для решения задачи водоснабжения необходимо иметь некоторое количество специально сооружённых резервных водозаборных скважин, конструкции которых могут противостоять действию разрушающих динамических факторов и обеспечить водоснабжение по минимальной норме.

2. На основании сравнительного анализа известных конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, по различным факторам (простота конструкции, эффективность в решении поставленной задачи, технологичность устройства и т.п.) обоснована эффективность применения скважин с амортизирующим устройством в виде гидравлических демпферов - поглотителей энергии волны возмущения.

3. Предложена усовершенствованная конструкция водозаборной скважины, устойчивой к действию динамических нагрузок, с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов. Установлено, что интегральный показатель технологичности нового решения является более высоким по сравнению с показателями гаммы рассмотренных вариантов конструкций. В усовершенствованной конструкции скважин снижение уровня динамического воздействия, распространяющегося в толще грунта, достигается путем принудительного перетока вязкой жидкости через демпферы из одной межтрубной полости скважины в другую, а стабильная работа системы демпфирования обеспечивается надежной герметизацией межтрубных пространств.

4. Разработана математическая модель гидродинамических процессов в межтрубных пространствах водозаборных скважин нового типа, вызванных динамическим воздействием, распространяющимся в грунте. Выявлены зависимости влияния на энергопоглощение волны возмущения в демпферах физических свойств вязкой жидкости, геометрических размеров и количества демпферов, соотношения диаметров труб в скважине. Установлено, что в качестве демпферной жидкости следует применять глицерин или силикон.

5. Предложена ресурсосберегающая технология устройства усовершенствованных водозаборных скважин с гидравлическими демпферами, обеспечивающая устойчивость скважин к действию динамических нагрузок. Определены рациональные технологические параметры процессов устройства скважин нового типа. Выявлено, что в ходе подготовительных операций для обеспечения технологичности производства работ конструктивные элементы скважин необходимо собирать заблаговременно на базе буровой организации и доставлять на буровую площадку автотранспортом. Установлены технологические режимы освоения таких скважин вибрационным методом с использованием рабочего органа на гибкой связи: частота колебаний 2 Гц при амплитуде 100 - 200 мм. На основании математического планирования эксперимента и анализа полученных экспериментальных данных выявлены аналитические выражения изменения значений гидродинамического давления, генерируемого в стволе скважин, в гравийной засыпке и прифильт-ровой зоне водоносного пласта при освоении скважин вибрационным методом с различными видами рабочих органов.

6. В результате исследований технологических параметров устройства скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов составлен, согласован с Санкт-Петербургским ОАО «Промбурвод» и утвержден технологический регламент «Технология устройства водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов».

Разработанный технологический регламент принят производственными организациями для проектирования конструкций, составления проектов производства работ и последующего сооружения устойчивых в условиях действия ЧС водозаборных скважин, а технология освоения скважин вибрационным методом с использованием рабочего органа на гибкой связи проверена на целом ряде производственных объектов. Внедрение новых конструктивных и технологических решений, содержащихся в регламенте, устраняет экономический ущерб, связанный с разрушением при действии динамических нагрузок скважин обычной конструкции и позволяет обеспечить надежную работу системы водоснабжения из подземных источников в острый период ЧС.

Основные положение диссертации представлены в следующих опубликованных работах:

1. О необходимости исследования и разработки конструктивно-технологических решений сейсмостойких водозаборных скважин // Труды молодых ученых. / СПбГАСУ- СПб., 1998. - 4.1. - С. 152155.

2. Сравнительный анализ конструктивных и технологических решений устройства сейсмостойких водозаборных скважин //Доклады 56й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. / СПбГАСУ. - СПб., 1999. - 4.1. - С. 116-117. (соавтор Беретов В.В.)

3. Оценка технологичности конструктивных решений сейсмостойких водозаборных скважин // Труды молодых ученых. / СПбГАСУ. - СПб., 1999. - 4.1. - С. 155-159. (соавтор Беретов В.В.).

4. Проблема устройства сейсмостойких водозаборных скважин // Материалы школы-семинара молодых ученых с участием докторантов, аспирантов с студентов «Реконструкция» / Труды молодых ученых. / СПбГАСУ. - СПб., 1999. - Ч.1У. - С. 141-145. (соавтор Верстов В.В.).

5. Конструктивно-технологические решения сейсмостойких водозаборных скважин. // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2000. - №2. - С.22-27. (соавтор Берегов В.В., Проводенко О.П.).

6. Энергосберегающая технология устройства сейсмостойких водозаборных скважин // Материалы международной науч.-практ. конференции. / СПбГТУ. - СПб., 2000. - С.58-60. (соавтор Берегов

B.В.).

7.Исследование особенностей конструктивно-технологических решений сейсмостойких водозаборных скважин // Доклады 57й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. / СПбГАСУ. - СПб., 2000. - 4.1. - С. 143-144. (соавтор Верстов В.В.).

8. Исследования и разработка эффективной технологии сооружения водозаборных скважин, устойчивых к динамическим воздействиям // Труды молодых ученых. / СПбГАСУ.- СПб., 2000. -Ч.1.-С. 159-164.

9. Повышение сейсмостойкости водозаборных скважин применением демпферной гидравлической системы // Сборник тезисов докладов третьих Савиновских чтений / ВНИИГ. - СПб., 2000. -

C.43-44. (соавтор Верстов В.В.).

10. Новая технология устройства водозаборных скважин. // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2000. - №9. -С.8-12. (соавтор Верстов В.В.).