Виды и типологии скважин на воду

Многие собственники загородных владений и дач в процессе сезонного или постоянного проживания на территории своего владения приходят к выводу о необходимости обустройства автономной системы водоснабжения включающей скважину на воду, которая смогла бы удовлетворить потребности. Для того, чтобы принять осознанное решение в пользу одного из гидротехнических сооружений нужно знать какие бывают скважины в принципе.

Понятие и типология скважин

Скважиной принято считать, имеющую преимущественно цилиндрическую форму, выработку в земной коре, диаметр которой значительно меньше, чем её протяженность.

Термин протяженности употреблен не случайно, так как ствол скважины может быть пробурен не только отвесно вниз, но и с отклонением, как от вертикальной оси, так и в перпендикулярной ей плоскости. Возможность изменения направления движения бурового инструмента позволяет получить криволинейный профиль скважины, что актуально при большой глубине и необходимости наклонного бурения, например, когда устье шурфа находится на берегу моря, а забой удален на сотню метров и находится под поверхностью воды.

Типы скважин по профилю

В зависимости от количества плоскостей в которых искривлён, профиль скважины может быть:

• плоско-искривленным;
• пространственно-искривленным.

Различное устройство скважины с плоско-искривленным профилем, если этого требует геологический разрез, позволяет выделить разновидности таких выработок:

1. Тангенциальные шурфы, заканчивающиеся наклонным участком.
2. S-образные, имеющие на конце участок, угол между которым и вертикалью постепенно уменьшается.
3. J-образные, заканчивающиеся участком, постепенно отклоняющимся от вертикального направления в пользу увеличения угла.

Пространственно-искривленные проходки имеют значительно более сложную для описания геометрию и применяются в проходках на нефть и газ. Водозаборная скважина преимущественно выполняется прямолинейной, а отклонения допускаются только для обхода твердых каменистых включений, которые могут быть спрогнозированы на основании геологического разреза разведочной проходки.

Типы скважин по глубине

Наиболее распространенной является типология шурфов по глубине проходки, которая позволяет достичь определенного водоносного горизонта.

Первый водоносный горизонт или «верховодка», представляет собой отфильтрованные атмосферные осадки и грунтовые воды, скопившиеся перед верхним водонепроницаемым суглинистым слоем, расположенным на глубине до 25 метров в зависимости от региона. Глубина такого шурфа недостаточна для получения чистой питьевой воды, ввиду возможности попадания с поверхности удобрений, фекалий, продуктов гниения и прочих загрязнений. Как следствие, для получения питьевой воды используется забивная скважина, представляющая собой трубную колонну, собранную из толстостенных газовых труб и опущенную ударным способом до глубины в 8 – 10 метров, за счет конического наконечника.

Глубина скважины, достигающей второго водоносного горизонта, может достигать от 40 до 90 метров от плодородного слоя, в зависимости от расположения песчаной прослойки между первым и вторым суглинистыми слоями земной коры. Слой почвы, в котором располагается скважина на песок, являющаяся наиболее популярным гидротехническим сооружением для дачных хозяйств и загородных владений, обуславливает ее тривиальное название. Песчаная скважина обеспечивает расход воды в размере 0,8 – 1,2 куб. метра в час, позволяя наполнить стакан за 5 секунд. Производительность скважины на песок тем выше, чем больше ее глубина приближена ко второму водоупорному слою, аккумулирующему воду на своей поверхности. Когда призабойная зона песчаной проходки находится в водонепроницаемом слое, это гарантирует поступление воды исключительно через фильтрующий элемент, даже если дно эксплуатационной колонны не заглушено.

Выполнив геологический разрез земной коры до отметки в 200 метров, можно наблюдать, последовательно следующие за вторым водоупорным суглинистым слоем, глину и известняк, который при пористой структуре является высокопроизводительным источником питьевой воды. Скважина на известняк, пройденная до соответствующей отметки, называемая также артезианской, характеризуется повышенным давлением в призабойной зоне, обеспечивающим самопроизвольный подъем воды, вплоть до её фонтанирования на поверхности. Артезианская водозаборная скважина отличается свободой от взвешенных примесей и высокой чистотой воды, за исключением растворенных минеральных солей, и способна обеспечить расход от 3 до 10 куб. метров в час, чего может быть довольно для двух – трех дачных домов.

Существующие категории скважин

Классификация скважин по назначению позволяет выполнить отнесение к одной из общепринятых категорий:

1. Параметрические – проходки, выполняемые, чтобы определить геологический разрез и перспективу вертикального бурения.
2. Поисковые – шурфы малого диаметра выполняемые с целью определения перспективности полноценного бурения, исходя из наличия изыскиваемого ресурса.
3. Разведывательные – шурфы, которые бурятся в пределах месторождения с целью определения потенциала залежей и составления плана мероприятий по их добыче.
4. Эксплуатационные – проходки в земной коре, предназначенные для извлечения искомого ресурса из недр на поверхность.

Проходка на питьевую воду очевидно относится к эксплуатационным, среди которых выделяются дополнительные категории скважин:

• добывающие или нагнетательные;
• специальные, в том числе шурфы на техническую и питьевую воду, а также поглощающие;
• контрольные, предназначенные для наблюдений или мониторинга пластового давления;
• выработки – дублеры;
• оценочно – эксплуатационные.

Конструктивные виды скважин

Различная конструкция скважины позволяет выделить следующие виды:

• одноколонная;
• двухколонная.

Одноколонное устройство скважины подразумевает единственную колонну из труб, опускаемую в шурф и выполняющую одну или несколько функций. Песчаная скважина со стенками, осыпающимися при операциях спуска/подъема бурильной штанги с закрепленным на конце инструментом, требует укрепления, в качестве которого выступает обсадная труба, совмещающая функцию эксплуатационной колонны. Когда ствол скважины достаточно прочен или выполняется бурильной установкой с промывкой буровым раствором, не требующей многократных спусков и подъемов инструмента для его освобождения от породы, укрепление не требуется, и эксплуатационная колонная устанавливается с зазором от стенок, который заполняется гравием, выступающим в качестве предварительного фильтра. Устройство скважины-иглы также подразумевает одну трубную сборку, поэтому её следует отнести к одноколонным.

Конструкция скважины, состоящая из обсадной и эксплуатационной труб, являясь гораздо более дорогой гарантирует длительный срок эксплуатации, возможность устройства предварительного гравийного фильтра и ремонтопригодность внутренней обечайки, которая без ущерба для прочности конструкции может быть выполнена из труб ПВХ, вне зависимости от глубины укладки. То есть, даже скважина на известняк может иметь полимерную внутреннюю трубу, гарантирующую отсутствие растворенного железа в воде и неограниченный период использования.

Конструктивные виды скважин очевидно должны быть дополнены разновидностями исходя из наличия и формы гравийного фильтра в разрезе. Строение предварительной очистки воды в шурфе может быть в виде следующих гравийных засыпок:

• между грунтом и эксплуатационной колонной при заглушенном дне;
• между обсадной и эксплуатационной колоннами при заглушенном дне;
• призабойной зоны при возможности притока через низ эксплуатационной трубы.

Из рассмотренных конструктивных видов, обустройства предварительного фильтра требует скважина на песок и абиссинский колодец при выборе двухколонной схемы.

Специфические виды скважин на воду

Принятая классификация скважин не включает в себя особые случаи, о которых следует упомянуть:

1. Проходка, обустраиваемая на плавуне, отличается от стандартного бурения постоянным притоком песчано-глинистой суспензии, вымывающей породу и разрушающей стенки шурфа. Глубина скважины, пройденная до встречи с плавуном, может составлять от 1 до 40 метров и оптимальным способом борьбы с подвижкой грунта является, параллельная бурению, установка обсадных труб. Подобные водяные источники подразумевают принцип работы, позволяющий получить существенно больший расход и напор, чем это свойственно для аналогичных шурфов без проходки плавуна.

2. Геотермальные водяные шурфы бурятся с целью попадания в горячий подземный источник, используемый для оборудования системы автономного отопления с помощью теплового насоса и позволяющий получить значительную экономию за счет отказа от котельного оборудования и использования топлива. Конструкция геотермальной водозаборной проходки подразумевает надежное соединение сегментов, а призабойная зона должна быть залита специальным цементным раствором и глиной, для предотвращения утечек. Принцип работы геотермального шурфа состоит в самопроизвольном подъеме горячего потока к поверхностному тепловому насосу, который производит дополнительный нагрев и распределение теплоносителя между отопительными приборами. Принцип работы водяной геотермальной проходки подразумевает, что устье скважины одновременно является водоводом, подключаемым к тепловому насосу, а охлажденный поток возвращается обратно в слой земной коры для нагрева.