Как найти удельный дебит скважины

Как посчитать дебит скважины?

Дебит скважины – самая важнейшая ее характеристика.
Именно она определяет возможности скважины для обеспечения водоснабжения и
необходимую производительность насоса. 
Дебит скважины определяет компания. Которую ее пробурила и он
вписывается в паспорт на нее (см. статью «Паспорт скважины»). Но в ряде случаев
эта величина неизвестна владельцу скважины. Например, ее пробурили «шабашники»
за небольшие деньги, не удосужившись при этом даже ее прокачать, не говоря уже
об определении ее дебита. Или скважиной долгое время не пользовались, затем ее
реанимировали. И, естественно, новый дебит скважины неизвестен. Более, того,
дебит, определенный бурильщиками (даже если все правильно сделано), верен
ТОЛЬКО именно для этой производительности насоса. И если у владельца скважины
насос имеет другие технические характеристики, для него дебит может быть совсем
другим! Как же корректно измерить эту величину? Для начала поймем, почему дебит скважины на воду зависит от производительности насоса.

Это легко сообразить, если понимать, что максимальный
теоретический дебит скважины зависит от разности давления  в водоносном слое и внутри скважины и площади фильтра. При откачке воды в скважине, естественно, понижается ее динамический
уровень, а значит, возрастает разность указанных давлений, а вслед за ней и
дебит скважины. Так как же правильно определить дебит скважины? Для его более
точного определения необходимо произвести два водозабора из скважины насосами
разной производительности. Покажем, как это делается на конкретном примере.

Итак, у нас имеется скважина, имеющая глубину (до
фильтра) – 50 м. Статический уровень установился на отметке 30 метров. То есть
высота водяного столба составляет 50-30 = 20 м. 

Пусть первый водозабор производится насосом с расходом 2
м³/ч. При этом динамический уровень составил 37 м (для определения
динамического уровня вода должна откачиваться не менее, чем 1 час). Дебит
скважины рассчитывается по формуле:

D = H x V/ (H_д – H_ст), где:

D – дебит скважины, м³/ч;

H – глубина скважины, м;

V – производительность насоса, м³/ч;

H_д – динамический уровень, м

 H_ст – статический уровень, м

Подставив все значения, получим, что в первом случае
дебит скважины равен D₁ = 5,7 м³/ч.

При втором водозаборе используем насос с расходом 4 м³/ч.
При этом динамический уровень составил 41м. В этом случае дебит скважины
составит D₂ = 7,2.м³/ч. 
Тогда удельный дебит скважины рассчитывается по формуле:

D_уд = (D₂ — D₁)/ (h₂
– h₁), где

D_уд  –
удельный дебит скважины;

h₁ и h₂ – высоты падения уровня воды,
в нашем случае это, соответственно, 7 и 11 метров.

Тогда мы получим, что D_уд = 0,375м³/ч.
Другими словами, при возрастании динамического уровня на 1 м дебит скважины
УВЕЛИЧИВАЕТСЯ на 0,375м³/ч. Кстати, благодаря этой величине можно
посчитать максимальный дебит скважины, то есть дебит, при котором вода в ней
опустится до фильтра. То есть D_макс = D_уд х h_макс.
В нашем случае D_макс = 0,375 х 50 = 18,75м³/ч.
Максимальная производительность насоса должна быть минимум на 10-15% меньше
дебита. Таким образом, в нашу скважину можно установить насос с
производительностью не больше 16м³/ч.

Зачатую, дебиты скважин не столь велики и при откачивании
достаточно мощным насосом, он полностью выкачивают из них воду. В этом случае
дебит скважины определяется по формуле:

D = (V x T – V_ск)/Т, где

V – производительность насоса, м³/ч;

T – время, за которое вода из скважины будет полностью
выкачана, ч;

V_ск – объем воды в скважине до начала
откачивания, определяется как h x S, где:

h– высота водяного столба (разность между глубиной
скважины до фильтра и статическим уровнем), м;

– площадь поперечного сечения скважины (π х d²/4,
где d – внутренний диаметр обсадной трубы).

Для примера. Пусть у нас имеется скважина глубиной 30
метров. Статический уровень 20 метров. Внутренний диаметр обсадной трубы 79 мм
(3 дюйма). Вода из скважины была откачана за 30 минут (0,5 часа – определяется
разностью времени от начала откачки, до тех пор, пока не сработает защита от
сухого хода или с водой не пойдут воздушные пузыри) насосом с производительностью
2м³/ч.. Тогда D = (2 х 0,5 – 10 х 3,14 х 0,079²/4)/0,5 =
1,9 м³/ч. 

Инструмент для бурения: долото шарошечное 151 диаметр тцв.

Для определения абсолютного дебита скважины требуется специализированное оборудование, определенные знания и время. Даже в случае если все рассчитано по технологии, то дебит покажет результат в тот момент, когда проводился анализ. Ведь откачивание воды будет осуществляться постоянно, что свидетельствует о постоянном уменьшении ее уровня и объема. Во время расчёта дебита так же важно учитывать погоду и время года. Снег и дождь будут пополнять запас воды в результате чего уровень будет подниматься. Эти обстоятельства имеют огромное влияние на результат. Дебит может значительно отличатся даже если все было выполнено по одной и той же технологии, но не был учтен вышеназванный факт. Можно сделать вывод, что показатель дебита не постоянен.

Во время расчета дебита важными характеристиками являются статический и динамический уровни воды. Измерить эти уровни очень просто при помощи троса или веревки. Достаточно лишь привязать груз на конец и опустить веревку в воду. Определить уровень воды можно измерив ее мокрую часть.

Статистический показатель уровня воды в скважине необходимо измерять в момент выкачивания из нее воды. После некоторого времени выкачки, уровень воды понизится и остановится на определенном месте. Это и есть динамический уровень воды. Это свидетельствует о том, что убывание воды прекращено и прибывание воды в скважину равно ее выкачке насосом.

Разница между показателями статистического и динамического уровней поможет определить дебит. Если она не составляет больше 1 метра, то можно считать дебит большим и скорее всего он превышает производительность насоса. Для точного определения дебита нужно воспользоваться насосом с мощностью побольше.

Если дебит скважины небольшой по сравнению с производительностью насоса , то вода будет уменьшаться до тех пор, пока не закончиться полностью.

Чтобы определить дебит необходимо обзавестись высокопроизводительным насосом и большей мерной емкостью. Ею мы будем измерять выкачанную воду.

Дебит можно получить по формуле:

Dt= *Hw

Dt – это дебит скважины (м3/час);

V – это интенсивность откачки воды при замере (м3/час);

Hdin – это динамический уровень воды (его измерение происходит сразу или в процессе откачки в то время когда производительность равна V);

Hstat – это статистический уровень воды, который измерят в течении суток после «отстоя». Если взять меньший промежуток времени, то результат может быть не точным);

Hw – это высота водяного столба в скважине (разница между глубиной скважины и уровнем воды в ней).

Нужно учитывать то, что в реальности когда интенсивность водонабора увеличится, уровень воды в скважине будет падать значительно быстрее, поесть результат дебита скважины будет значительно отличатся. На этот показатель влияет множество факторов и индивидуальная особенность скважины.

Для более точного результата можно воспользоваться измерением удельного дебита.

Удельный дебит скважины – это объём воды, который подает скважина во время откачки ( в л/сек) с понижение воды в ней на 1 м.

ФОРМУЛА ДЛЯ РАСЧЕТА УДЕЛЬНОГО ДЕБИТА:

Dуд = (D2 – D1)/ (h2 – h1), где

Dуд – удельный дебит скважины;

h1 и h2 – высоты падения уровня воды.

Если дебит скважины небольшой, а откачивание осуществляется при помощи мощного наноса, то есть вероятность, что вода будет выкачана полностью.

Тогда провести расчет дебита можно по следующей формуле:

D = (V x T – Vск)/Т, где

V – производительность насоса, м3/ч;

T – время, за которое вода из скважины будет полностью выкачана, ч;

Vск – объем воды в скважине до начала откачивания, определяется как h x S, где:

h– высота водяного столба (разность между глубиной скважины до фильтра и статическим уровнем), м;

S- площадь поперечного сечения скважины.

Замеры и расчеты являются необходимостью, поскольку все данные фиксируют в паспорте скважины. Это нужно в таких случаях:

1. Показатели нужны для определения целесообразности скважины., так же они показывают в каком состоянии водоносный пласт. В случае возникновения проблем, это поможет с восстановлением скважины.

2. Это поможет с определением объема необходимой воды.

Еще один вопрос, который интересует многих, это как увеличить дебит скважины.

Если сразу после бурения показатель дебита скважины имел показатель выше, чем на данный момент, то Вам для увеличения дебита необходимо заняться очисткой. В фильтр или труба могут забиться.

Так же одной из причин для уменьшения дебита может стать плохая работа насоса, из-за которого происходит уменьшение динамического уровня воды.

В случае если показатель дебита изначально был недостаточным, то есть две причины:

-для водоноса не характерна подача таких огромных объемов воды;

– во время бурения скважины Вы не попали в водоносный горизонт.

Вполне вероятно, что выходом из этого положения может стать только бурение новой скважины.

Основным элементом системы водоснабжения является источник водоснабжения. Для автономных систем в частных домовладениях, на дачах или фермерских хозяйствах в качестве источников используют колодцы или скважины. Принцип водоснабжения прост: водоносный слой наполняет их водой, которая с помощью насоса подается пользователям. При длительной работе насоса, какова бы ни была его мощность, он не может подать воды больше, чем водонос отдает в трубу.

Любой источник имеет предельный объем воды, которую он может отдать потребителю за единицу времени.

Определения дебита

После бурения, проводившая работу организация предоставляет протокол испытания, либо паспорт на скважину, в который вносится все необходимые параметры. Однако, при бурении для домохозяйств, подрядчики часто вносят в паспорт приблизительные значение.

Перепроверить достоверность информации или рассчитать дебит вашей скважины можно своими руками.

Однако, абсолютно точно рассчитать продуктивность источника сложно. Расчет показателей требует времени и спецоборудования. Но, полученного результата будет достаточно для понимания возможностей вашего источника.

Динамика, статика и высота столба воды

Прежде чем приступить к измерениям, нужно понять, что такое статический и динамический уровень воды в скважине, а также высота столба воды в скважинной колонне. Замер данных параметров необходим не только для расчета производительности скважины, но и для правильного выбора насосного агрегата для системы водоснабжения.

• Статический уровень – это высота водяного столба при отсутствии водозабора. Зависит от внутрипластового давления и устанавливается во время простоя (как правило не менее часа);
• Динамический уровень – установившейся уровень воды во время водозабора, то есть когда приток жидкости равняется оттоку;
• Высота столба – разница между глубиной скважины и статическим уровнем.

Динамика и статика измеряется в метрах от земли, а высота столба от дна скважины

Произвести измерение можно с помощью:

• Электроуровнемера;
• Электрода, замыкающего контакт при взаимодействии с водой;
• Обычного грузика, подвязанного к веревке.

Определение производительности насоса

При расчете дебита необходимо знать производительность насоса во время откачки. Для этого можно воспользоваться следующими способами:

• Посмотреть данные расходомера или счетчика;
• Ознакомиться с паспортом на насос и узнать производительность по рабочей точке;
• Посчитать приблизительной расход по напору воды.

В последнем случае, необходимо на выходе водоподъемной трубы закрепить в горизонтальном положении трубу меньшего диаметра. И произвести следующие замеры:

• Длину трубы (мин 1,5 м.) и ее диаметр;
• Высоту от земли до центра трубы;
• Длину выброса струи от конца трубы до точки падения на землю.

После получения данных необходимо сопоставить их по диаграмме.

Измерение динамического уровня и дебита скважины нужно производить насосом с производительностью не менее вашего расчетного пикового расхода воды.

Упрощенный расчет

Дебит скважины – это отношение произведения интенсивности водооткачки и высоты водяного столба к разности между динамическим и статическим водными уровнями. Для определения дебита скважины определения  используется формула:

Dт =(V/(Hдин-Нст))*Hв , где

• Dт –искомый дебит;
• V – объем откачиваемой жидкости;
• Hдин – динамический уровень;
• Hст – статический уровень;
• Нв – высота столба воды.

Например, мы имеем скважину глубиной 60 метров; статика которой составляет 40 метров; динамический уровень при работе насоса производительностью 3 куб.м/час установился на отметке 47 метров.

Итого, дебит составит: Dт = (3/(47-40))*20= 8,57 куб.м/час.

Упрощенный метод измерений включает замер динамического уровня при работе насоса с одной производительностью,  для частного сектора этого может быть достаточно, но для определения точной картины – нет.

Удельный дебит

С увеличением производительности насоса, динамический уровень, а соответственно и фактический дебит снижается.  Поэтому более точно водозабор характеризует коэффициент продуктивности и удельный дебит.

Для вычисления последнего следует произвести не один, а два замера динамического уровня при разных показателях интенсивности водозабора.

Удельный дебит скважины – объем воды, выдаваемой при снижении ее уровня за каждый метр.

Формула определяет его как отношение разности большего и меньшего значений интенсивности водозабора к разности между величинами падения водного столба.

Dуд=(V2-V1)/(h2-h1), где

• Dуд – удельный дебит
• V2 – объем откачиваемой воды при втором водозаборе
• V1 – первичный откачиваемый объем
• h2 – снижение уровня воды при втором водозаборе
• h1 – снижение уровня при первом водозаборе

Возвращаясь к нашей условной скважине: при водозаборе с интенсивностью 3 куб.м/час, разница между динамикой и статикой составила 7 м.; при повторном замере с производительностью насоса в 6 куб.м/час разница составила 15 м.

Итого, удельный дебит составит: Dуд =(6-3)/(15-7)= 0,375 куб.м/час

Реальный дебит

Расчет строится на основании удельного показателя и расстоянии от поверхности земли до верхней точки фильтровальной зоны, учитывая условие, что насосный агрегат не будет погружен ниже. Данный расчет максимально соответствует реальности.

Dт = (Hф-Hст)*Dуд, где

• Dт –дебит скважины;
• Hф – расстояние до начала фильтровальной зоны (в нашем случае примем за 57 м.);
• Hст – статический уровень;
• Dуд – удельный дебит.

Итого, реальный дебит составит: Dт =(57-40)*0,375= 6,375 куб.м/час.

Как видно, в случае с нашей воображаемой скважиной, разница между упрощенным и последующем измерением составила почти 2,2 куб.м/час в сторону уменьшения производительности.

Снижение дебита

В ходе эксплуатации производительность скважины может уменьшаться, основной причиной снижения дебита является засорение, а для его увеличения до прежнего уровня необходимо производить очистку фильтров.

Со временем рабочие колеса центробежного насоса могут износиться, особенно если ваша скважина на песке, в этом случае его производительность станет ниже.

Однако, прочистка может не помочь, если изначально у вас оказалась малодебитная водяная скважина. Причины этого разные: диаметр эксплуатационной трубы недостаточен, она попала мимо водоносного слоя или он содержит мало влаги.

Удельный дебит является основным параметром, отражающим всю сумму факторов, от которых зависит водообильность скважины. Он определяется не только ее водообеспеченностью, но и проницаемостью пород и мощностью вскрытого водоносного горизонта. Кроме того, он зависит от конструкции приемной части самой скважины.
Опыт показывает, что водопроницаемость пород и, следовательно, удельные дебиты скважин значительно изменяются даже на небольших расстояниях. Иногда удельный дебит одной скважины составляет 20 м³/ч, а удельный дебит скважины, пройденной на тот же водоносный горизонт на небольшом расстоянии от первой, не превышает 1—2 м³/ч, хотя по глубине и конструкции эти скважины отличаются незначительно.
Очень важно при проектировании разведочно-эксплуатационных скважин определить слой, в котором водоносные породы наиболее проницаемы; этот слой должен быть полностью захвачен приемной частью скважины. При получении воды из аллювиальных песков нужно учитывать, что по мере приближения к подошве аллювиальной толщи крупность песков и их проницаемость обычно увеличиваются. Очень часто наиболее интенсивная открытая трещиноватость водоносных известняков, образующих артезианские водоносные горизонты, приурочена к самым верхним слоям толщи; если же эти слои будут перекрыты глухой колонной обсадных труб, то скважина практически может оказаться безводной.

Трещиноватые породы могут залегать иначе. Например, как указывает В. М. Гаврилко (1951), породы мергельно-меловой толщи верхнего мела в одном из районов Днепровско-Донецкой мульды образуют по вертикали три зоны, отличающиеся фильтрационными свойствами:

• 1) слабопроницаемую зону заиливания мощностью 5—10 м, находящуюся на контакте с покрывающими породами;
• 2) зону мощностью 20—30 м, породы которой имеют максимальную трещиноватость и большую проницаемость;
• 3) зону плотных мергелей, практически водоупорных, залегающих на 30—40 м ниже кровли мергельно-меловой толщи.

При таком характере фильтрационных свойств толщи приходится проектировать приемные части разведочно-эксплуатационных скважин в интервале залегания пород второй зоны, при этом удельные дебиты скважин достигают 40 м³/сутки. Те скважины, в которых водоносные породы второй зоны закрыты, оказываются практически безводными.

Изменчива проницаемость трещиноватых кристаллических и закарстованных пород. Как будет освещено далее, наиболее проницаемые зоны приурочены здесь к контактам различных пород, или к полосам тектонических разрывов, или связаны с развитием древней и современной гидрографической сети и т. д.

Из сказанного видно, что положение приемной части скважины оказывает большое влияние на ее удельный дебит. Скважина может вскрыть водообильный водоносный горизонт, но вследствие того, что не учтены состав, строение и характер водопроницаемости пород, она может дать мало воды.

Во время откачки уровень воды в стволе скважины устанавливается ниже уровня воды в застольной части водоносного горизонта, вследствие чего понижается удельный дебит скважины. Это обусловлено искривлением линий токов (в несовершенных скважинах, а для безнапорных вод и в совершенных скважинах), а также сопротивлением фильтра.

Влияние первого фактора иллюстрируется следующей схемой. Если из точки А пересечения поверхности грунтовых вод со стенкой скважины провести линию равного напора, то она будет иметь вид кривой с выпуклостью во внешнюю сторону (рис. 3). У подошвы водоносного горизонта (точка В) эта кривая будет иметь вертикальное направление. На участке, заключенном между этой кривой и стенками приемной части скважины, а также и в стволе самой скважины уровень воды должен находиться ниже уровня воды в точке А, иначе вода не будет двигаться в скважине. Таким образом, здесь резко падает уровень воды.

Основываясь на данных экспериментальных исследований, С. К. Абрамов предложил следующую эмпирическую формулу для определения скачка уровня воды у ствола скважины при ее откачке

где ?h — скачок уровня в м;
Q — дебит скважины в м³/сутки;
S — понижение уровня воды в скважине в м;
k — коэффициент фильтрации водоносных пород в м/сутки;
F — рабочая площадь фильтра в м², равная ?dl (здесь d — диаметр фильтра, l — его длина).
Коэффициент ? для совершенных скважин С. К. Абрамов рекомендует ориентировочно принимать:

• для сетчатых и гравийных фильтров — 0,15 — 0,25 (в среднем 0,20)
• для дырчатых, щелистых и проволочных фильтров — 0,06—0,08 (в среднем 0,07)

Для несовершенных скважин указанные значения коэффициента ? увеличиваются в 1,2—1,5 раза; поправки увеличиваются с уменьшением отношения величины погружения фильтра к мощности водоносного горизонта.

Уравнение (III.9) показывает, что чем больше дебит скважины и понижение уровня воды в ней и меньше проницаемость водоносных пород, а также чем меньше диаметр и длина приемной части скважины, тем больше скачок уровня воды. Это следует учитывать при определении предполагаемого удельного дебита проектируемой разведочно-эксплуатационной скважины.

При малом диаметре скважины и небольшой длине ее приемной части в зоне водоносного горизонта, непосредственно прилегающей к скважине, значительно увеличивается скорость фильтрации, что вызывает дополнительные потери напора. Эти потери еще больше возрастают, если скорость движения воды превышает критическую скорость перехода ламинарного движения в турбулентное.

где Q — общий дебит скважины; с — коэффициент, зависящий от диаметра и конструкции приемной части скважины.

Так, сравнивая две скважины, пробуренные в штате Огайо (около г. Кантона), глубиной 32 м каждая, он получил коэффициент с для одной скважины равным 6,1, а другой 0,03. Первая скважина имела диаметр фильтра 330 мм, вторая же 660 мм (включая гравийную обсыпку).

Другие элементы конструкции приемной части скважины (скважность перфорированного каркаса, тип фильтра и т. п.) также отражаются на ее дебите, так как создают дополнительные сопротивления движению воды. Поэтому при проектировании разведочно-эксплуатационной скважины нужно выбирать такую конструкцию приемной части, которая для данных водоносных пород обеспечит минимальные входные сопротивления движению воды.
Из приведенных ранее уравнений Дюпюи (III.1) и (III.2) удельный дебит водозаборной скважины q равен:

• для совершенных скважин, питающихся грунтовыми (ненапорными) водами

  

• для совершенных скважин, питающихся артезианскими (ненапорными) водами

  

По уравнениям (III.11) и (III.12) удельные дебиты скважин, питающихся грунтовыми водами, уменьшаются при увеличении понижения уровня воды в них, а удельные дебиты артезианских скважин остаются постоянными независимо от понижения уровня воды (рис. 5 и 6). Однако опыт показывает, что удельные дебиты артезианских скважин при значительном увеличении общего дебита становятся меньше вследствие возрастания сопротивлений движению воды, проходящей через фильтр и породы, окружающие приствольную часть скважины.

При проектировании одиночной разведочно-эксплуатационной скважины обычно трудно определить ее предполагаемый удельный дебит. Чаще всего для этого используется опыт бурения, опробования и эксплуатации существующих водозаборных скважин, находящихся в этом районе и питающихся тем же водоносным горизонтом. Однако окончательно удельный дебит разведочно-эксплуатационной скважины устанавливается уже после ее бурения во время пробной или опытной откачки. Не всегда прогноз удельного дебита скважины в дальнейшем подтверждается, поэтому в проекте эту величину не следует завышать. При прогнозировании удельного дебита проектируемой скважины необходимо учитывать особенности местных гидрогеологических условий и намечаемую конструкцию ее.

Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения.
Белицкий А.С., Дубровский В.В., Издательство «Недра», 1968