Конструкция скважины: основные элементы и принципы устройства

Чистая вода необходима для комфортной жизни за городом. Скважина - оптимальный способ обеспечить дом водой в автономном режиме. Но как устроена скважина? Из каких элементов состоит ее конструкция?

Определение скважины и основные понятия

Скважина - это вертикальное или наклонное подземное сооружение цилиндрической формы небольшого диаметра по сравнению с глубиной. Скважины бывают эксплуатационные для добычи полезных ископаемых, технические для изучения недр и водозаборные.

Основные элементы скважины:

• Устье - начало скважины на поверхности земли
• Ствол - подземная выработка цилиндрической формы
• Стенки ствола - боковая поверхность скважины
• Забой - дно скважины

Назначение водозаборных скважин

Водозаборные скважины предназначены для добычи подземных вод из водоносных горизонтов. Их используют для хозяйственно-питьевого водоснабжения в случаях:

• Отсутствие централизованного водопровода
• Неустойчивая подача воды из водопровода
• Невозможность подключения к водопроводу
• Необходимость резервного или аварийного источника воды
• Плохое качество воды из водопровода

По сравнению с шахтными колодцами, скважины обеспечивают более стабильный водозабор.

Основные элементы конструкции скважины

Устье - начальный участок скважины, расположенный на дневной поверхности. Через устье происходит монтаж и демонтаж оборудования, спуск инструмента.

Ствол - подземная выработка цилиндрической формы, соединяющая устье и забой скважины. Стенки ствола укрепляются обсадными колоннами.

Забой - нижняя часть скважины, вскрывающая продуктивный водоносный горизонт. В забое устанавливается фильтр для очистки воды от механических примесей.

Для предотвращения обвалов стенок скважины и гидрогеологической изоляции водоносных горизонтов применяется обсадная колонна - система соединенных стальных или пластиковых труб, опускаемых в скважину.

Первая обсадная колонна называется кондуктор. Она служит для изоляции верхних неустойчивых пород и водоносных горизонтов. Кондуктор не опускают до забоя скважины.

Последняя обсадная колонна, эксплуатирующая продуктивный водоносный слой, называется эксплуатационной колонной.

Типы обсадных труб

Раньше для обсадки скважин использовались стальные и асбестоцементные трубы. Сейчас применяют пластиковые трубы из ПВХ и ПНД.

Преимущества пластиковых труб:

• Выдерживают высокое давление
• Устойчивы к коррозии
• Долговечны, срок службы до 50 лет
• Легкие, облегчают монтаж
• Дешевле металлических аналогов

Наиболее популярный материал для обсадных труб - полиэтилен низкого давления (ПНД).

Соединение обсадных труб

Сборка обсадных колонн из отдельных секций труб осуществляется при помощи:

• Резьбовых соединений - наиболее распространенный тип стыковки
• Сварки - применяется для соединения металлических труб
• Муфт - осуществляют герметичное соединение пластиковых труб

Длина одной секции труб составляет от 3 до 6 метров.

Стандартные размеры обсадных труб

Диаметры труб подбираются под размеры скважинных насосов.

Устройство скважинного фильтра

Фильтр устанавливается в забой скважины для очистки воды от механических взвесей и сохранения производительности насоса. Различают такие типы фильтров:

1. Гравийная подушка
2. Фильтр с крупными отверстиями в стенках
3. Сетчатый фильтр
4. Проволочный фильтр с щелевыми отверстиями

Для изготовления применяют нержавеющую сталь, пластик, стекловолокно. Чем мельче фракция осадочных пород, тем мелкие отверстия нужны в фильтре.

Принцип работы фильтров основан на задержании частиц крупнее определенного размера и пропускании воды в обсадную колонну.

Длина фильтра составляет около 2 метров в зависимости от мощности водоносного слоя.

Оголовок скважины

Оголовок служит для герметизации устья скважины, защиты от попадания посторонних предметов, крепления погружного насоса. Изготавливают из стали, чугуна или пластика. Конструкция стандартная - два фланца, болты, резиновая прокладка.

"Грузоподъемность" зависит от материала: для стального до 200 кг, для чугунного до 700 кг.

Адаптер для скважины

Адаптер служит для подсоединения поверхностного насоса, установленного рядом со скважиной. Одна часть адаптера монтируется внутри обсадной колонны, вторая снаружи. Через адаптер прокладывается трубопровод от насоса к потребителям.

Схема скважины с погружным насосом

На рисунке представлена типовая схема обустройства скважины с погружным электронасосом:

1. Погружной насос опущен в эксплуатационную колонну на тросе
2. Вода забирается насосом из скважины через фильтр
3. Насос крепится винтами к оголовку
4. По напорному трубопроводу вода подается потребителям
5. Электрокабель выводится на поверхность через гермоввод оголовка

Кессон для скважины

Кессон представляет собой подземную камеру с крышкой для размещения насосного оборудования и приборов автоматики.

Кессоны бывают:

• Бетонные монолитные
• Из железобетонных колец
• Металлические
• Пластиковые

Кессон защищает от промерзания, обеспечивает удобный доступ к оборудованию. В кессоне можно монтировать как погружные, так и поверхностные насосы.

Принцип работы скважины

Принцип работы скважины заключается в заборе подземных вод из водоносного слоя с помощью насоса и подаче ее потребителям.

Различают два основных способа эксплуатации:

1. С использованием погружного электронасоса, опускаемого в эксплуатационную колонну
2. С применением поверхностного насоса, устанавливаемого в кессоне или рядом с устьем

В первом случае вода забирается непосредственно из скважины, во втором - через всасывающий трубопровод от адаптера.

Обустройство скважины

Полноценная конструкция скважины включает следующие элементы обустройства:

• Оголовок
• Кессон или навес над устьем
• Система автоматики управления насосом
• Датчики уровня воды и сухого хода
• Гидроаккумулятор
• Задвижки и вентили на трубопроводах

Такая конструкция обеспечивает надежную работу скважины и качественную подачу воды потребителям.

Требования к монтажу скважины

Чтобы обеспечить долгий срок службы скважины, ее монтаж должен выполняться в соответствии с определенными правилами:

1. Точное соблюдение технологии бурения и крепления ствола
2. Герметичность обсадных колонн
3. Плотная заделка цементным раствором затрубного пространства
4. Правильный подбор и монтаж фильтра
5. Качественная установка оголовка

От этого зависит долговечность скважины и избежание возможных осложнений в процессе эксплуатации.

Выбор типа насосного оборудования

Для подъема воды из скважины используются погружные или поверхностные насосы. При выборе насоса учитывают:

• Требуемый расход воды
• Необходимый напор
• Глубина залегания воды
• Наличие электроснабжения
• Стоимость оборудования и эксплуатации

Погружные насосы эффективны на больших глубинах, поверхностные - при неглубоком залегании воды.

Подбор мощности насосного оборудования

Мощность насоса для скважины выбирают исходя из:

1. Количества подаваемой воды в сутки
2. Количества потребителей
3. Напора, необходимого для подъема на заданную высоту
4. Производительности водоносного слоя

Чем больше потребителей и расход воды, тем мощнее должен быть насос.

Рекомендации по выбору насоса для скважины

При подборе насоса для скважины рекомендуется:

• Учитывать сезонные колебания уровня воды
• Закладывать 30-50% запас по производительности
• Выбирать модели с повышенным ресурсом подшипников
• Отдавать предпочтение известным производителям
• Предусмотреть устройства защиты от сухого хода

Правильный подбор насосного оборудования увеличит срок службы и надежность скважины.

Ресурс работы скважинного насосного оборудования

Средний ресурс работы для насосов скважин составляет:

• Погружные насосы - 8000-12000 часов
• Поверхностные насосы - 25000-40000 часов

Срок службы зависит от условий эксплуатации, качества воды, частоты включений насоса.

Пусконаладочные работы и опытная эксплуатация

Перед вводом скважины в постоянную эксплуатацию проводятся:

1. Гидравлические испытания трубопроводов
2. Установка и наладка системы управления насосом
3. Проверка работоспособности датчиков и защит
4. Опытная откачка воды в течение 48-72 часов

Пусконаладочные работы необходимы для выявления и устранения дефектов оборудования и монтажа.

Техническое обслуживание скважины

Для бесперебойной работы скважины необходимо проводить периодическое техническое обслуживание:

1. Контроль параметров работы насоса и автоматики
2. Проверка герметичности трубопроводов и гидроизоляции
3. Очистка фильтра от загрязнений
4. Дезинфекция скважины по микробиологическим показателям
5. Ревизия электрооборудования

Периодичность ТО зависит от интенсивности эксплуатации и устанавливается индивидуально.

Возможные неисправности скважин

К типичным неисправностям скважин относятся:

• Снижение дебита из-за колматации фильтра
• Утечки в обсадных колоннах
• Попадание песка вследствие износа фильтра
• Выход из строя погружного оборудования
• Обрыв кабеля электродвигателя насоса

Причинами могут быть как конструктивные недостатки, так и ошибки монтажа или эксплуатации.

Ремонтно-восстановительные работы

Для восстановления работоспособности применяются следующие технологии:

1. Промывка и химическая обработка скважины
2. Удаление предметов, упавших в скважину
3. Установка центраторов для выравнивания обсадных колонн
4. Замена поврежденного фильтра или насоса

Способ ремонта выбирается в зависимости от выявленной неисправности.

Ликвидация скважины

Ликвидация (тампонаж) скважины производится:

• После окончания срока эксплуатации
• При обнаружении конструктивных дефектов
• В случае истощения водоносного слоя

Процесс ликвидации заключается в полной изоляции водоносного горизонта с помощью бетона или глиняного раствора по всей глубине скважины.

Требования к качеству воды

Вода из скважины должна соответствовать гигиеническим нормам по микробиологическим и химическим показателям:

• Общая минерализация до 1000 мг/л
• Жесткость не более 7 ммоль/л
• pH 6-9
• Отсутствие патогенной микрофлоры
• Содержание нитратов до 45 мг/л

При несоответствии требованиям применяют соответствующую водоподготовку и очистку.

Системы водоподготовки

Для доведения качества воды до нормативных показателей используют:

1. Фильтры грубой и тонкой очистки
2. Установки умягчения воды
3. Установки обеззараживания ультрафиолетом
4. Системы дозации реагентов

Степень водоподготовки подбирается индивидуально в зависимости от исходного качества воды.

Контроль качества воды

Контроль качества воды включает:

1. Отбор проб воды
2. Анализ проб в лаборатории
3. Сопоставление результатов с нормативами
4. Корректировка режимов водоподготовки

Периодичность контроля для питьевой воды - раз в квартал, для хозяйственной - раз в полгода.

Документация на скважину

Вся техническая документация на скважину включает:

• Паспорт
• Геологический разрез
• Акты на монтаж и испытания
• Журнал эксплуатации
• Результаты анализов воды

Документация хранится у владельца скважины.

Эксплуатация скважин в зимний период

Для предотвращения промерзания скважины зимой применяют:

1. Утепление оголовка и оборудования
2. Обогрев кессона тепловым кабелем
3. Регулярный полив устья теплой водой

Кроме того, скважину периодически включают для циркуляции воды в системе.