Способ прокладки подземных коллекторов для жидкостей и газов и рабочее средство для его осуществления - RU2100531C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу и устройству для прокладки подземных коллекторов для жидкостей и газов, в частности для строительства горизонтальных фильтрационных колодцев и дренажных линий, а также к рабочему средству для осуществления способа.

Строительство горизонтальных, дугообразных, косых или витых колодцев и дренажных линий для подземных и подпорных вод, а также для грунтового воздуха обозначается единым термином "строительство горизонтальных фильтрационных колодцев". Обычные горизонтальные фильтрационные колодцы служат для забора подземных вод, направляемых через горизонтально уложенные фильтровые трубы в главную вертикальную шахту. Оттуда воду откачивают на поверхность насосами. Также в зонах санирования и обеззараживания старых свалок этот вид колодцев используется для удаления токсичных веществ. Такие горизонтальные фильтрационные колодцы имеют по сравнению с вертикальными колодцами технологические, а при определенных условиях и экономические преимущества.

С помощью горизонтальных фильтрационных колодцев водоносный слой грунта можно разработать с большей производительностью колодца в соответствии с его дебитом. Кроме того, горизонтальные фильтрационные колодцы высыхают значительно медленнее вертикальных колодцев, поскольку горизонтально уложенные фильтровые трубы не соприкасаются с воздухом и скорости потока в горизонтальных колодцах могут быть выдержаны очень низкими.

Другим преимуществом является то, что машинные и труботехнические установки для нагнетательных водоводов, измерительных приборов и энергоподвода с электрическими коммутационными управляющими устройствами требуют гораздо меньше места, чем у вертикальных колодцев. Точно также контроль и обслуживание горизонтальных фильтрационных колодцев не так сложны, как сопоставимых вертикальных колодцев.

Наряду с вододобычей горизонтальные фильтрационные колодцы используются предпочтительно там, где необходимо санировать относительно плоские запасы воды, или в сильно переслоенных грунтах, где определенный слой необходимо подготовить для санирования грунтового воздуха. Также они используются, предпочтительно, в застроенных зонах или там, где иные условия не позволяют построить вертикальные колодцы, или где с точки зрения гидравлики требуются горизонтальные фильтрационные колодцы.

В настоящее время при строительстве горизонтальных фильтрационных колодцев применяют главным образом метод Мельмана и метод "Пройссаг" (Биске Э. Буровые колодцы, 7-е изд. Мюнхен 1992). Кроме того, фирма "Пройссаг" выпускает проспект, в котором подробно изложен этот метод. На примере метода "Пройссаг" следует вкратце пояснить его принцип. Предварительно изготавливают и опускают доходящую до запаса подземных вод главную шахту. От рабочей плоскости с помощью бурильных труб луче- или веерообразно проходят прямые горизонтальные скважины, в которые затем помещают фильтровые трубы. После этого бурильные трубы постепенно извлекают из скважин и в то же время в полость между скважиной и фильтровой трубой под высоким давлением намывают гравий для фильтра, за счет чего гравий осаждается между стенкой скважины и фильтровой трубой. Эта фильтрующая рубашка может состоять из гравия или песка.

Этот известный метод имеет тот недостаток, что в грунте необходимо делать вертикальную шахту диаметром по меньшей мере 2,5 м. Кроме того, в шахте приходится строить рабочую площадку с бурильной установкой и проходить горизонтальные скважины в слоях грунта с большими затратами.

Горизонтальные скважины могут достигать при этом методе лишь ограниченной длины до 60 м и это только по прямой. Возможная длина бурения определяется при этом особенностями грунта.

Кроме того, в течение всего времени строительства горизонтального фильтрационного колодца известными методами в центральную шахту постоянно затекают подземные воды, которые приходится с большими затратами либо задерживать, либо откачивать.

Эти известные методы, таким образом, сложны, дороги и могут экономично применяться, лишь начиная с определенной величины скважин.

Задача настоящего изобретения разработка совершенно нового способа, обеспечивающего простое и быстро выполняемое строительство подземных горизонтальных фильтрационных колодцев и дренажных линий, а также рабочего средства для осуществления способа.

Эта задача решается способом по п. 1 формулы изобретения и рабочим средством согласно признакам п. 18.

В основе изобретения лежит идея, заключающаяся в том, чтобы необходимые горизонтальные скважины проходить с поверхности (например без шахты на ровной местности) и с поверхности же помещать в эти скважины уже предварительно изготовленную полностью конструкцию фильтрационной линии с соответствующими фильтровыми трубами и рубашкой из фильтрующего гравия, так называемую фильтрационную нитку. При этом под фильтрационной ниткой понимают цельную или составную внутреннюю фильтровую трубку с окружающей ее цельной или составной гравийной рубашкой.

Для проходки скважины применяют предпочтительным образом полностью управляемый способ, который первоначально был разработан для техники снабжения.

При этом используют полностью управляемую, выполненную с возможностью дистанционного управления буровую головку, которая обеспечивает проходку даже криволинейных или дугообразных скважин. Такой полностью управляемый способ бурения имеет для строительства горизонтальных фильтрационных колодцев то преимущество, что грунт большинства типов уплотняется в диапазоне, допустимом для строительства колодцев для грунтового воздуха, подпорных или подземных вод.

При бурении с механической подачей струя воды под высоким давлением прорезает в грунте микротуннель. Предпочтительным образом к этой струе воды примешивают поддерживающую суспензию для скважины, за счет чего часть растворенного материала грунта вытесняется в окружающую матрицу, а часть выносится с буровой суспензией. Благодаря этому, во-первых, стабилизируется скважина, а, во-вторых, создается определенное скользящее действие при протягивании протягивающего узла фильтрационной нитки в зависимости от состава жидкости для промывки скважины. Под протягивающим узлом фильтрационной нитки здесь понимают рабочее средство для осуществления способа по п. 18 или 19.

Вследствие отложений материала возникают небольшие изменения проницаемости, регулируемые посредством вида бурения, а также посредством расхода, давления и состава промывочной жидкости. Кроме того, в соответствии с условиями бурения особым преимуществом может быть использование безбетонитной буровой суспензии, которая не загрязняет подземные воды и биологически разлагается. Эта буровая суспензия исключает дополнительное уменьшение проницаемости грунта.

Чтобы поместить в скважину протягивающие узлы фильтрационной нитки диаметром больше, чем диаметр микротуннеля, предпочтительно расширяют первую скважину небольшого диаметра с помощью расширительной головки. Для этого буровую головку после выхода из выходного отверстия скважины заменяют расширительной головкой, а затем протягивают обратно гидравлически-механически через пилотную скважину или микротуннель.

Для того, чтобы поместить или протянуть протягивающий узел фильтрационной нитки особенно большого диаметра, предпочтительно несколько раз поэтапно расширить первоначальную скважину с помощью различных по величине расширительных головок. Для обеспечения быстрой прокладки фильтрационных ниток предпочтительно присоединять протягивающий узел непосредственно к расширительной головке, за счет чего протягивающий узел протягивается через расширенную скважину в процессе расширения.

Диаметр расширительной головки должен быть по возможности, по меньшей мере, равен или больше диаметра протягивающего узла фильтрационной нитки, с тем чтобы силы трения при протягивании через скважину были как можно меньше.

По окончании последнего процесса расширения протягивающий узел фильтрационной нитки протягивают после работающей гидравлически-механически расширительной головки. Во входном отверстии фильтрационная нитка может быть фиксирована на поверхности земли, а защитная труба протягивающего узла может быть вытянута к другому отверстию. При этом между фильтрационной ниткой и стенкой скважины образуется кольцевое пространство, закрываемое путем заполнения, что имеет благоприятные последствия для проницаемости окружающего колодец поля. По этой причине особенно предпочтительным может быть выбор диаметра расширительной головки значительно больше диаметра защитной трубы.

Чтобы при извлечении внешней трубы-оболочки (защитная труба) не извлечь также собственно конструкцию фильтрационной линии, предпочтительно отдельно фиксировать на поверхности земли находящуюся внутри фильтрационную нитку или фильтровую трубу.

В зависимости от свойств грунта и особой задачи колодца может быть предпочтительным сначала протянуть через скважину только трубу-оболочку и лишь затем заправить в нее собственно фильтрационную нитку.

Для осуществления способа служит рабочее средство с внешней трубой-оболочкой, охватывающей находящуюся в ней фильтровую трубу, причем предпочтительным образом промежуток между фильтрационной ниткой и внешней трубой-оболочкой заполнен засыпкой из фильтрующего песка и/или фильтрующего гравия (рубашка из фильтрующего гравия). Такая конструкция обеспечивает оптимальное распределение засыпки фильтрующего гравия и уложенной в ней фильтрационной линии в соответствии с требованиями. Кроме того, можно предварительно изготовить конструкцию фильтрационной нитки и тем самым избежать дефектных мест.

Эта конструкция является очень предпочтительной и потому, что весь процесс прокладываемой фильтрационной нитки можно предварительно контролировать.

В зависимости от характера грунта засыпка фильтровой трубы фильтрующим гравием или фильтрующим песком не является обязательной, и поэтому для экономии издержек предпочтительно протягивают через скважину только одну фильтровую трубу во внешней трубе-оболочке.

Согласно изобретению конструкция фильтрационной нитки может быть оптимальным образом приведена в соответствие с гидрологическими условиями. Во-первых, можно заполнить промежуток между фильтровой трубой и стенкой скважины крупнозернистыми фильтрующими материалами разной крупности, а, во-вторых, эта засыпка может производиться точно заданным образом и контролироваться также перед прокладкой.

Благодаря изготовлению, согласно изобретению, всей фильтрационной нитки перед прокладкой возможны другие варианты этой конструкции для приведения в оптимальное соответствие с геологическими условиями.

Так, по технологическим и экономическим соображениям может быть предпочтительным поместить собственно фильтрационную линию только на отрезках всей скважины.

Благодаря конструкции согласно изобретению и предварительному изготовлению всей фильтрационной нитки возможно устройство, отвечающее нормам ДИН. Благодаря предварительному изготовлению фильтрационной нитки может быть достигнут оптимальный дебит колодца.

В рабочем средстве согласно изобретению применяются все до сих пор известные фильтрующие материалы. Так, наряду с обычными и уже принятыми в строительстве колодцев фильтровыми трубами любого вида в фильтрационной нитке могут применяться нетканые холсты, текстиль и мембраны с внутренней опорной трубой. Сама фильтровая труба может быть пористой самонесущей пластиковой трубой, изготовленной из полиэтилена, поливинилиденфторида, политетрафторэтилена, полиэтиленового волокна, полиуретана, поливинилхлорида и т.д. Также в фильтрационной нитке могут использоваться пористые самонесущие фильтровые трубы из керамики или металлокерамики или других пористых самонесущих материалов.

Конструкция отдельных фильтрационных ниток может быть предпочтительным образом приведена также в соответствие с геолого-технологическими требованиями в отношении геометрии. Для этого при необходимости фильтрационную нитку выполняют с разной гибкостью, так что возможны самые разные радиусы изгиба горизонтальных фильтрационных колодцев или дренажных линий.

Согласно изобретению внешняя труба-оболочка изготовлена из гладкого жесткого пластика, например полиэтилена и т.п. что облегчает ввод протягивающего узла фильтрационной нитки в скважину. Благодаря рабочему средству согласно изобретению восприимчивая фильтрационная нитка защищена от доступа промывочной жидкости и бурового шлама, а внешняя труба-оболочка разгружает собственно фильтрационную нитку и препятствует воздействию на нее сил трения.

Способ согласно изобретению может открывать совершенно новые перспективы, поскольку отдельные фильтрационные нитки можно варьировать по числу, диаметру и длине до 500 м (а при соответствующей технике бурения и более). Точно так же возможны очень малые диаметры отдельных фильтрационных линий, не достигаемые известными способами.

У способа согласно изобретению можно также контролировать данный отрезок фильтрационной нитки или фильтрационной трубы путем ввода камеры уже в процессе протягивания. Таким образом можно сразу же установить возможные повреждения фильтрационной нитки при протягивании и устранить их.

Ниже для дальнейшего пояснения и лучшего понимания изобретения более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи описан пример исполнения изготовленного способом согласно изобретению горизонтального фильтрационного колодца и рабочего средства согласно изобретению для осуществления этого способа.

На фиг. 1 показан пример подрезки; на фиг. 2 схематично проходка скважины; на фиг. 3 примерные формы колодцев и дренажей, вид сверху; на фиг. 4 схематично пример процесса расширения; на фиг. 5 схематичный разрез перпендикулярно фильтрационной нитке (пример исполнения) с еще не протянутой защитной трубой.

Как видно из фиг. 1 и 3, изготовленный способом согласно изобретению горизонтальный фильтрационный колодец включает в себя одну или несколько слегка или сильно искривленных скважин 1, проходящих от центрального места веерообразно, параллельно или иначе в различные или те же слои 2 грунта. Каждая отдельная скважина 1 имеет входное 3 и выходное 4 отверстия, через которые протягивают протягивающий узел 5 фильтрационной нитки. Собственно фильтрационная нитка 52, 53 лежит при этом ниже уровня подземных вод в ненасыщенной зоне или в подпорной воде. На поверхности находится заборное устройство 6, в котором размещены служащие для откачивания подземных, подпорных вод или грунтового воздуха насосы, всасывающие вентиляторы, вакуум-генераторы и т.п. Фильтровая труба 53 герметично закрыта для этого от участков, лежащих выше и ниже обрабатываемого слоя грунта, и только в пределах обрабатываемых слоев грунта выполнена проницаемой за счет отверстий, шлицев, пор 54 и т.п. через которые могут проникать подземные воды, подпорные воды или грунтовый воздух. Не обрабатываемые участки, как это принято в строительстве колодцев, крепят сплошными трубами вместо фильтрационной нитки 52, 53.

Из фиг. 4 видно, что расширительная головка 10 присоединена к буровой штанге 11. За расширительной головкой 10 с ней посредством соединения 12 соединен протягивающий узел 5 фильтрационной нитки.

Из фиг. 5 видно, что протягивающий узел 5 фильтрационной нитки содержит внешнюю трубу-оболочку 51, засыпку 52 разной зернистости и фильтровую трубу 53. Собственно фильтрационная нитка включает в себя засыпку 52 из фильтрующего гравия и фильтровую трубу 53.

Способ прокладки подземных коллекторов 53 согласно изобретению поясняется ниже.

Как видно из фиг. 2, с помощью бурового станка 13 в грунт с образованием входного отверстия 3 вводят буровую головку 14. Во время всего процесса бурения местонахождение буровой головки 14 определяют пеленгатором и ведут ее в нужном направлении в соответствии с требованиями при помощи дистанционного управления.

Скважину проходят до выходного отверстия 4, где буровую головку 14 заменяют расширительной головкой 10. На закрепленной на буровой штанге 11 расширительной головке 10 расположено соединение 12, к которому присоединен предварительно изготовленный протягивающий узел 5 фильтрационной нитки. Теперь буровую штангу 11 тянут обратно ко входному отверстию 3, причем буровая штанга 11, вращаясь со струями воды под давлением, движется вместе с расширительной головкой 10 через скважину 1, увеличивающуюся за счет нее в диаметре. Одновременно с этим процессом расширения протягивающий узел 5 фильтрационной нитки протягивают до входного отверстия 3. В процессе расширения через размещенное на расширительной головке 10 сопло или сопла в разрыхленный грунт стенки скважины вводят буровую суспензию с соответствующим требованиям грунта составом. Эта буровая суспензия уменьшает трение на внешней трубе-оболочке 51 протягивающего узла 5, а также необходимое усилие для протягивания обратно буровой штанги 11 и протягивающего узла 5 и дополнительно стабилизирует скважину 1.

В процессе расширения стенка скважины 1 трескается и может падать на внешнюю трубу-оболочку 51 протягивающего узла 5, если это допускает условия грунта, техника бурения и параметры промывочной жидкости. Этим достигается нужная повышенная проницаемость грунта в зоне стенки скважины.

После того как протягивающий узел 5 попадает ко входному отверстию 3, фильтровую трубу 53 фиксируют на поверхности земли. Затем от другого отверстия 4 внешнюю трубу-оболочку 51 вытягивают из скважины 1.

Для уменьшения сил трения при вытягивании внешней трубы-оболочки оболочки 51 из скважины 1 в качестве фильтрующей засыпки 52 можно использовать пластиковый гранулят определенной зернистости, можно также нагнетать от входного отверстия 3 в фильтровую трубу 53 под давлением воду, которая через отверстия 54 в ней снова вытекает под землей и дополнительно уменьшает трение между фильтрационной ниткой 52, 53 и внешней трубой-оболочкой 51.

Горизонтальные фильтрационные колодцы, образованные скважинами 1 и протянутыми в них фильтрационными нитками 52, 53, можно эксплуатировать различным образом.

Можно герметично закрыть одно из отверстий 3, 4, за счет чего возможна вакуумная эксплуатация отдельной скважины 1 или отдельной фильтрационной нитки 52, 53. Могут осуществляться и другие принципы эксплуатации, например, гравитационный дренаж и комбинация отсоса грунтового воздуха и дренажа, а также инфильтрация и уплотнение.

Реферат

Использование: устройство предназначено для прокладки подземных коллекторов, в частности для строительства горизонтальных фильтрационных колодцев и дренажных линий. Сущность изобретения: в заданных слоях грунта проходят, по меньшей мере, одну скважину со входным и выходным отверстиями. Затем через скважину протягивают протягивающий узел фильтрационной нитки, состоящий из внутренней фильтрационной нитки и внешней трубы-оболочки, и в заключение удаляют внешнюю трубу-оболочку протягивающего узла фильтрационной нитки. В качестве рабочего средства служит протягивающий узел, состоящий из внутренней фильтрационной нитки и внешней трубы-оболочки. В предпочтительном усовершенствовании изобретения промежуток между внутренней фильтрационной ниткой и внешней трубой-оболочкой снабжают засыпкой из фильтрующего песка и/или фильтрующего гравия, 2 с. и 29 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула