Патент на изобретение №2347113

(54) ВОДОСНАБЖАЮЩАЯ СКВАЖИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области водоснабжения и может быть использовано в энергодефицитных районах и территориях. Водоснабжающая скважина включает подземную водоносную зону, перебуренную скважиной, водоподъемную колонну труб, газовый колпак, выход которого соединен с водоподъемной колонной труб, верхний конец которой расположен у устья скважины и соединен с резервуаром водопотребителя, питательный водовод, сообщенный с ним ударный клапан, дистанционно управляемый ударный клапан. В отводящем интервале скважины имеется «сухой» объем. Динамический уровень в отводящем интервале скважины расположен ниже кромки патрубка отвода сбросной линии. Сообщение питательного канала с отводящим интервалом скважины расположено выше входа нагнетательного клапана. «Сухой» объем отводящего интервала скважины посредством шланга сообщен с атмосферой у ее устья. Газовый колпак снабжен кюветой с жидкостью, например с водой, выполненной плавающей на поверхности перекачиваемой воды в нем и установленным неподвижно перфорированным патроном с веществом, например кальцием, с возможностью контактирования и химического взаимодействия с водой в кювете с выделением газа. Водоснабжающая скважина позволяет использовать ее в более широких геологических условиях, в частности в условиях, не требующих наличия простирающихся до дневной поверхности зон нарушений (сообщений) от «сухого» объема отводящего интервала скважины. 2 ил.

Заявляемое изобретение относится к области водоснабжения, в частности применению кинетической энергии движущегося под действием своей силы тяжести водяного потока для осуществления подъема воды из скважины, и может быть использовано для водоснабжения удаленных от открытых водоемов систем водоснабжения водопотребителей энергодефицитных территорий, в том числе изолированных потребителей сельскохозяйственного назначения, сезонного пребывания, например пожаротушения, сборщиков дикорастущих, военных застав и др., в местностях, в которых имеются необходимые для ее работы условия.

Известны водовоздушные подъемники (эрлифт), применяемые в водоснабжении для подъема воды из глубинных скважин (Д.С.Циклаури. “Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки”. М. Изд-во литер, по строительству. 1970, – стр.46-80 [1]). Эрлифт включает в себя воздушную и водовоздушную подъемную трубы, форсунку, приемный резервуар, компрессор и ресивер. Эрлифты характеризуются простой конструкцией, не имеющей двигающихся частей, легкостью изготовления, возможностью длительной эксплуатации без сложного ухода.

Недостатком таких водоподъемников является необходимость применения электрической энергии на привод компрессора, его низкий КПД.

Известна энергосберегающая водоподъемная установка, использующая принцип гидравлического тарана (Кузьмин А.Е. Водоподъемники и гидравлические двигатели с энергосберегающим приводом. Изд. ИГУ, Иркутск, 2000 [2]).

Принцип работы основан на изменении давления в питательном трубопроводе в результате резкого изменения скорости движения жидкости (гидравлического удара). Водоподъемник гидротаранного типа содержит питательный резервуар, питательный трубопровод, ударный клапан, нагнетательный клапан, воздушный колпак, напорный трубопровод. Вода, изливаясь из питательного резервуара по питательному трубопроводу через горловину ударного клапана, стекает в русло потока. При достижении определенной скорости под действием скоростного напора ударный клапан резко закрывается, отсекая поток воды. В тупиковом конце питательного трубопровода резко повышается давление (происходит гидравлический удар), под действием которого открывается нагнетательный клапан и вода поступает в воздушный колпак, сжимает воздух и далее в напорный трубопровод. После закрытия нагнетательного клапана (под действием веса) происходит понижение давления в тупиковой части питательного трубопровода с образованием разряжения (такт отражения). Ударный клапан открывается и цикл повторяется. Такая водоподъемная установка может поднимать воду на высоту до 300 м (Кузьмин А.Е. Водоподъемники и гидравлические двигатели с энергосберегающим приводом. Изд. ИГУ, Иркутск, 2000, [2], стр.35), при этом чем глубже установка расположена в скважине, тем меньшая доля дебита скважины «выталкивается» на дневную поверхность. Она энергоэффективна, не требует для своей работы подвода какой-либо энергии извне. Недостаток ее заключается в том, что поднимает воду она только из водного потока, протекающего по дневной поверхности, и не позволяет поднимать воду из подземной водоносной зоны посредством пробуренной до нее буровой скважины.

Наиболее близким к предлагаемой водоснабжающей скважине является «Скважинная гидротаранная установка» (патент РФ на полезную модель №55054, F04F 7/02. Заявка №2005113525/22, подана 03.05.2005 г. Авт. А.Д.Елисеев, С.Ф.Елисеева. Опубл. 27.07.2006 г. Бюл. №21 [3]), принятая за прототип.

Скважинная гидротаранная установка, включающая подземную водоносную зону, перебуренную скважиной, сообщенной с ней, оборудованной и освоенной для водоснабжения, скважина пробурена до зоны поглощения, установленную в скважине водоподъемную колонну труб, газовый колпак, выход которого соединен с водоподъемной колонной труб, верхний конец которой расположен у устья скважины и соединен с резервуаром водопотребителя, питательный водовод является кольцевым каналом, образованным стенками скважины или обсадной колонной и водоподъемной колонной труб, сообщенный с ним ударный клапан, питательный водовод соединен посредством нагнетательного клапана с газовым колпаком, а посредством отвода сбросной линии и ударного клапана соединен с отводящим интервалом скважины, дистанционно управляемый ударный клапан, установленный в скважине.

Скважинная гидротаранная установка позволяет поднимать воду из водоносной зоны со статическим уровнем в скважине ниже положения дневной поверхности (неартезианская скважина).

Недостатком скважинной гидротаранной установки, принятой за прототип, являются ограниченные условия ее применения ввиду того, что в общем случае «сухой» объем отводящего интервала скважины не имеет сообщения с атмосферой, поэтому работать он может только в условиях, когда «сухой» объем отводящего интервала скважины сообщен посредством сообщающихся трещин с атмосферой, например, в горных условиях и если скважиной перебурены нарушенные породы. Но такие условия редки.

Другим недостатком прототипа является то, что для пополнения газового колпака газом при его работе в нем предусмотрен источник сжатого воздуха, расположенный на поверхности и соединенный с газовым колпаком, установленным в скважине. Это усложняет его конструкцию, делает его не приспособленным для работы в удаленных районах, повышает трудоемкость эксплуатации.

Задачей создания заявляемого изобретения является разработка технического решения – водоснабжающей скважины, позволяющей использовать ее в более широких геологических условиях, в частности в условиях, не требующих наличия простирающихся до дневной поверхности зон нарушений (сообщений) от «сухого» объема отводящего интервала скважины.

Поставленная задача достигается тем, что принятая за прототип скважинная гидротаранная установка, включающая подземную водоносную зону, перебуренную скважиной, сообщенной с ней и оборудованной для водоснабжения, скважина пробурена до зоны поглощения, установленную в скважине водоподъемную колонну труб, газовый колпак, выход которого соединен с водоподъемной колонной труб, верхний конец которой расположен у устья скважины и соединен с резервуаром водопотребителя, питательный водовод является кольцевым каналом, образованным стенками скважины или обсадной колонной и водоподъемной колонной труб, сообщенный с ним ударный клапан, питательный водовод соединен посредством нагнетательного клапана с газовым колпаком, а посредством отвода сбросной линии и ударного клапана соединен с отводящим интервалом скважины, дистанционно управляемый ударный клапан установлен в скважине, в отводящем интервале скважины имеется «сухой» объем, динамический уровень в отводящем интервале скважины расположен ниже кромки патрубка отвода сбросной линии, сообщение питательного канала с отводящим интервалом скважины расположено выше входа нагнетательного клапана, «сухой» объем отводящего интервала скважины посредством шланга сообщен с атмосферой у ее устья, а газовый колпак снабжен кюветой с жидкостью, например с водой, выполненной плавающей на поверхности перекачиваемой воды в нем, кроме того, газовый колпак снабжен установленным неподвижно перфорированным патроном с веществом, например кальцием, с возможностью контактирования и химического взаимодействия при этом с водой в кювете с выделением газа.

Заявляемая водоснабжающая скважина снабжена шлангом, сообщающим «сухой» объем отводящего интервала скважины с атмосферой, что обеспечивает условия ее работы и в тех случаях, когда «сухой» объем отводящего интервала скважины не имеет сообщения с атмосферой за счет простирающейся до нее зоны нарушений пород. Это расширяет условия ее применения.

Использование газового колпака автономной конструкции в заявляемой водоснабжающей скважине в качестве генератора газа придает ей качество приспособленности для работы в условиях удаленных районов, позволяет снизить трудоемкость и затратность ее реализации. При использовании в химическом генераторе газа кальция Са, взаимодействующего с водой Н₂O, позволяет в качестве газа получать водород Н₂:(Са+2Н₂O=Са(ОН)₂+Н₂), который, контактируя с перекачиваемой водой и частично растворяясь в ней, не ухудшает ее качество и потребительские свойства.

На фиг.1 приведена схема заявляемой водоснабжающей скважины, а на фиг.2 – схема газового колпака.

На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: 1 – обсадная колонна; 2 – подземная водоносная зона; 3 – (фасонный) отвод сбросной линии; 4 – перфорация в обсадной колонне; 5 – трехжильный провод; 6 – динамический уровень воды в обсадной колонне большего диаметра; 7 – ударный клапан со стержнем – дистанционно управляемый клапан; 8 – упор; 9 – направляющие стержни клапана; 10 – отводящий интервал скважины; 11 – зона поглощения; 12 – нагнетательный клапан; 13 – газовый колпак; 14 – перфорированный патрон, заполненный веществом; 15 – водоподъемная колонна труб; 16 – задвижка водоподъемного канала (к резервуару водопотребителя); 17 – двухсекционный, реверсивный электромагнитный соленоид, ЭМС; 18 – жидкость; 19 – плавающая кольцевая кювета; 20 – второй дистанционно управляемый клапан; 21 – шланг сообщения «сухого» объема отводящего интервала скважины с атмосферой; 22 – «сухой» объем отводящего интервала скважины; 23 – кромка патрубка отвода сбросной линии; 24 – динамический уровень воды в отводящем интервале скважины; 25 – резьбовое соединение; 26 – радиально ориентированные отверстия; h – высота нагнетания воды; h₁ – напор, под которым работает таран (протяженность питательного интервала); h₂ – положение рабочего уровня при работе установки; Q – расход воды в питательном интервале; q – расход воды через водоподъемный трубопровод; I – первый участок (от динамического уровня в кольцевом канале до входа в отвод сбросной линии) – гидродинамический участок питательного кольцевого канала; II – второй участок – гидродинамический участок в интервале разделения потока в скважине; III.1 – третий участок (одна доля потока) – гидродинамический участок в отводе сбросной линии с установленным в ней ударным клапаном, выход которой сообщен с «сухим» отводящим интервалом скважины, сообщенным с атмосферой; III.2 – третий участок (вторая доля потока) – гидродинамический участок скважины ниже интервала разделения потока до «заглушенной» донной ее части, контактирующей со ступенчатым упором в скважине; IV – четвертый участок – гидродинамический участок напорной линии; V – пятый участок – гидродинамический участок излива поднимаемой из скважины воды в резервуар.

Водоснабжающей скважиной (фиг.1) 1 перебурены водоносная зона 2 и нижерасположенная поглощающая зона 11. В интервале водоносной зоны установлена труба большего диаметра с перфорационными отверстиями 4 и фильтром снаружи из проволочной навивки. Труба меньшего диаметра имеет также перфорационные отверстия. Вода из водоносной зоны 2 через фильтр и перфорационные отверстия 4 поступает в кольцевой канал, образованный трубами большего и меньшего диаметров, а через перфорационные отверстия поступает в скважину. При перекрытом сообщении водоносной зоны 2 со скважиной 1 (второй дистанционно управляемый клапан находится в нижнем своем положении) уровень воды в скважине (в обсадной колонне бóльшего диаметра) устанавливается на значении, соответствующем статическому уровню водоносной зоны, аналогичный уровень и в фильтр-емкости.

На нижнем уступе скважины установлен узел собственно гидротаранного устройства, выполненный отдельной сборочной единицей, включающий фасонный отвод сбросной линии 3, соединенный со стаканом, дно в котором имеет отверстия. В отводе сбросной линии 3 (его входе) установлен дистанционно управляемый ударный клапан со стержнем 7. Снаружи сбросной линии установлен электромагнитный соленоид ЭМС 17 так, что его электромагнитная катушка может взаимодействовать со стержнем ударного клапана 7. В конструкции блока гидротаранного устройства имеется три упора 8, к которым крепятся отдельные элементы блока, в частности указанные стакан, а также отвод сбросной линии 3. К ним прикреплены и элементы водоподъемной колонны 15 с газовым колпаком 13. В нижнем упоре блока герметично установлен штуцер, нижний конец которого соединен с «сухим» объемом отводящего интервала скважины, а его верхний конец соединен со шлангом 21 сообщения с атмосферой. На нижнем упоре блока установлена герметизирующая прокладка, соединенная с ним. При постановке блока в скважину на нижний ее уступ за счет этой прокладки достигается герметизация соединения блока со скважиной. Посредством электросоединения 6 и трехжильного провода 5 сформирована линия подачи электронапряжения на одну или на другую секции ЭМС.

В скважине установлен второй дистанционно управляемый клапан 20, который в его нижнем положении перекрывает сообщение водоносной зоны 2 с объемом скважины 1. Для перемещения его вверх к нему присоединен тросик. В нижнее положение клапан устанавливается при ослаблении (с устья скважины) тросика – под действием веса клапана.

Водоподъемная колонна 15 выполнена из бурильных труб путем соединения их с использованием стандартного бурового оборудования.

Установленный в блоке гидротаранного устройства газовый колпак 13 предназначен для выработки газа, необходимого для его работы. Он содержит плавающую кольцевую кювету 19 с жидкостью 18. Кювета плавает в перекачиваемой воде, которая находится в газовом колпаке. В газовом колпаке установлен неподвижно патрон 14 с веществом, например кальцием. При химическом взаимодействии вещества в патроне (кальция) с жидкостью в кювете (водой) выделяется газ (водород), давление его повышается, увеличивается его объем газового пузыря, а вода вытесняется. Кювета перемещается вниз, контакт и взаимодействие с веществом прекращаются. В последующем цикл выработки газа (по мере его растворения в перекачиваемой воде) с требуемым его объемом повторяется.

Отводящая скважина 10 имеет «сухой» объем 22, а статический (и динамический в процессе работы скважины) уровень воды в ней 24 расположен ниже уступа.

Работает водоснабжающая скважина следующим образом. При открытом ударном клапане 7 в кольцевом канале скважины устанавливается переток воды со скоростью (расход Q). Уровень воды в водоподъемной колонне труб 15 ниже уровня в кольцевом канале скважины на величину

где – плотность воды, кг/м²;

– скорость воды в кольцевом канале скважины, м/с.

При закрывании ударного клапана 7 под действием скоростного напора воды происходит гидравлический удар и давление воды в надклапанном пространстве резко повышается. Если ударный клапан 7 перекрывается быстро (время его перекрытия меньше , где h₁ – протяженность питательного интервала кольцевого канала и скважины, м; u – скорость звука в воде, м/c), давление повышается на величину р·u·. Это позволяет оценить, на какую величину h₂ может подняться уровень воды в водоподъемной колонне труб 15.

р·u·=p·g·h₂, откуда

Расход воды у водоносной зоны в кольцевом канале складывается согласно следующему выражению:

Q=Q₁+g

Мощность потока Q·h₁ используется в таране на подъем жидкости по водоподъемной колонне труб 15 с расходом g на высоту h₂. При этом уравнение баланса мощности гидротаранного устройства имеет следующий вид:

Q·H=g·h₂

Выражение для определения энергетического КПД заявляемой водоснабжающей скважины имеет следующий вид:

Высота нагнетания h₂ изменяется в пределах 5-10 Н при h₁=1÷10 м. Следовательно, в практических условиях наибольшая высота нагнетания заявляемой водоснабжающей скважины может достичь 100 м.

Ее энергетический КПД зависит от отношения h₂/h₁ и составляет:

от =0,85 при h₂/h₁=2,

до =0,45÷0,4 при h₂/h₁=10.

В зависимости от размеров скважины, водоподъемной колонны труб и соотношения h₂/h₁ подача гидротаранного узла изменяется от g=0,07·Q (при больших h₂/h₁) до g=0,04·Q (при малых h₂/h₁).

Открывание ударного клапана происходит в момент такта отражения (образования разряжения в надклапанном пространстве).

В конкретном примере для осуществления заявляемой водоснабжающей скважины пробурена скважина 1 основным диаметром бурения, равным 108 мм. В процессе бурения скважиной перебурена подземная водоносная зона 2, границы которой, определенные методом скважинной расходометрии, находятся в интервале 72,0-78,0 м. Дебит водоносной зоны составляет 0,11 м³/c, статический уровень воды водоносной зоны составляет Н_c=70 м.

После перебуривания водоносной зоны скважина пробурена далее основным диаметром бурения до зоны поглощения, которая находится в интервале 125,0-127,0 м, и представлена трещиноватыми породами. В результате перебуривания поглощающей зоны в скважине устанавливается переток из водоносной зоны в поглощающую зону при полном поглощении воды. При этом динамический уровень воды имеет отметку 115 м. На интервале скважины выше 115 м до нижнего (второго) уступа действует (существует) несплошной поток воды, этот интервал назван «сухим».

В последующем водоснабжающая скважина оборудована согласно вышеприведенному описанию ее устройства, в частности, рабочий интервал скважины на интервале Н разбурен большим диаметром и в него установлена обсадная труба 1 146 мм, перфорированная в интервале зоны поглощения 4 и на которой установлен фильтр в виде проволочной навивки. В нижней части обсадная труба основного диаметра бурения упирается в первый выступ в скважине. Ниже первого уступа скважина пробурена диаметром 127 мм. Причем глубина его положения составляет величину Н=100 м. В интервале скважины между первым и вторым уступами установлен блок гидротаранного устройства. Он выполнен отдельной сборочной единицей и спускается в скважину на бурильных трубах зафиксированным с использованием гидропатрона, который расфиксируется после установки блока на втором уступе. Герметизация блока на контакте с отводным интервалом скважины достигается прокладкой, установленной между нижним упором блока 8 и вторым уступом скважины. В верхнем и среднем упорах 8 выполнены отверстия. С нижним упором соединены нижняя часть патрубка отвода сбросной воды 23 и штуцер соединения «сухого» объема отводящего интервала скважины с атмосферой.

Для запуска в работу водоснабжающей скважины посредством тросика поднимается второй дистанционно управляемый клапан 20, чем обеспечивается поступление воды из подземной водоносной зоны 2 в скважину 1, а по истечении некоторого времени в скважине устанавливается статический уровень, характерный для водоносной зоны.

Для запуска водоподъемного узла водоснабжающей скважины подачей напряжения от аккумулятора по проводу 5 на ЭМС ударный клапан 7 открывается.

При открытом ударном клапане 7 (момент пуска – принудительное открытие, в последующем, в процессе работы, – автоматически) в кольцевом канале скважины устанавливается переток воды со скоростью , определяемой исходя из дебита скважины Q и сечения кольцевого канала. При этом уровень воды в водоподъемной колонне труб 15 ниже уровня в кольцевом канале скважины на величину , где – плотность воды, кг/м³, – скорость воды в кольцевом канале скважины, м/с. При закрывании ударного клапана 7 происходит гидравлический удар и давление воды в надклапанном пространстве резко повышается. Период нагнетания начинается с момента начала закрытия ударного клапана 7 (открытие нагнетательного клапана 12) и заканчивается его закрытием. В период такта нагнетания вода поступает в газовый колпак 13, сжимая находящийся в нем газ. Под действием сжатого газа вода из газового колпака поступает в водоподъемную колонну труб 15.

После закрытия нагнетательного клапана 12 движением ударной волны происходит понижение давления в надклапанном пространстве с образованием разряжения (остаточное давление) – такт отражения. Силой от разности атмосферного и остаточного давлений и силы тяжести клапан 7 опускается вниз. Вода снова начинает изливаться через ударный клапан с возрастанием скорости и клапан закрывается под напором воды и процесс возобновляется.

После запуска в работу динамический уровень воды в скважине при работе водоснабжающей скважины установился на отметке 70,0 м (h₂=70 м).

Учитывая то, что h₂=70 м можно определить значение h₁, которое определяется следующим соотношением: h₁=H-h₂ или h₁=100 м – 70 м=30 м. Таким образом, основные конструкционные элементы водоснабжающей скважины составляют:

h₁=30 м, h₂=70 м, Н=100 м.

При этом в период открытого состояния клапана 7 в кольцевом канале скважины устанавливается переток воды со скоростью ,

где S_кол – площадь кольцевого канала на рабочем интервале скважины, м². При закрывании ударного клапана 7 под действием скоростного напора воды происходит гидравлический удар и давление воды в надклапанном пространстве повышается и жидкость в водоподъемной колонне труб поднимается.

Исходя из основных соотношений работы гидротаранной установки при

ее энергетический КПД при h₂/h₁=2, =0,85. При этом подача может быть определена из отношения: g=0,07Q или g=0,07·0,07·0,11 м³/c = 7,7·10^-3 м³/с. Указанное значение подачи на практике подтверждено.

В предлагаемой водоснабжающей скважине электроэнергия требуется только для запуска ее в работу (от аккумулятора), после чего она работает без каких-либо внешних источников энергии. При ее работе кинетическая энергия потока воды непосредственно преобразуется в полезную работу. Таким образом, предлагаемая установка является энергосберегающей и экологически чистым водоподъемником, она может эффективно использоваться в энергодефицитных районах удаленными от водоемов потребителями (заготовители таежных даров – ягод, грибов, орехов и др.; охотники; пограничные заставы; пожарные; ликвидаторы чрезвычайных ситуаций; объекты туристических посещений и др.).

Формула изобретения

Водоснабжающая скважина, включающая подземную водоносную зону. перебуренную скважиной, сообщенной с ней и оборудованной для водоснабжения, скважина пробурена до зоны поглощения, установленную в скважине водоподъемную колонну труб, газовый колпак, выход которого соединен с водоподъемной колонной труб, верхний конец которой расположен у устья скважины и соединен с резервуаром водопотребителя, питательный водовод является кольцевым каналом, образованным стенками скважины или обсадной колонной и водоподъемной колонной труб, сообщенный с ним ударный клапан, питательный водовод соединен посредством нагнетательного клапана с газовым колпаком, а посредством отвода сбросной линии и ударного клапана соединен с отводящим интервалом скважины, дистанционно управляемый ударный клапан, установленный в скважине, отличающаяся тем, что в отводящем интервале скважины имеется «сухой» объем, динамический уровень в отводящем интервале скважины расположен ниже кромки патрубка отвода сбросной линии, сообщение питательного канала с отводящим интервалом скважины расположено выше входа нагнетательного клапана, «сухой» объем отводящего интервала скважины посредством шланга сообщен с атмосферой у ее устья, а газовый колпак снабжен кюветой с жидкостью, например с водой, выполненной плавающей на поверхности перекачиваемой воды в нем, кроме того, газовый колпак снабжен установленным неподвижно перфорированным патроном с веществом, например кальцием, с возможностью контактирования и химического взаимодействия при этом с водой в кювете с выделением газа.

РИСУНКИ