管井过滤器直径和长度的确定

管井过滤器直径和长度的确定

3关于管道管道的直径和长度的讨论上述过滤直径和长度规定的六种类型反映了现在和之后，过滤直径和长度的确定存在很大的学术差异，许多概念的混淆和不足。3.1过滤器直径曲线我国高校教科书等文献给出的过滤器直径计算式是值得讨论的。管井过滤器直径按计算公式的计算结果确定,显然是不可能的,工程实践不可能按计算的结果特制过滤管的直径,因此,给出的过滤器直径计算式没有任何实际意义。就计算公式本身而言,我国高校教科书《钻探工艺学》给出的过滤器直径计算如下式:D=QπLmv(8)D=QπLmv(8)式中,Q为设计的涌水量,m3/s;L为滤水管的长度,m;m为滤水管的孔隙率;v为最大允许进水速度,m/s。式中的符号及其含义均系原文,对比式(1)和式(8)可以看出,两式除符号有所不同外,基本完全相同,但式(8)中的最大允许进水速度的确定,书中给出了原苏联阿勃拉莫夫公式和美国水井工业推荐的安全流速0.1ft/s(0.03m/s),以及表2,应该说,这是管井进水流速基本概念混淆。式(8)计算参数中有过滤器孔隙率,系计算过滤管的直径,因此,允许进水流速只能是允许过滤管进水流速,而绝不能是允许井壁进水流速,如采用阿勃拉莫夫公式计算或采用表2中的允许进水流速数值,则计算结果既非过滤管直径,也非管井进水段井径。3.2计算开口长度的公式过滤器长度计算式是在过滤器直径已确定的情况下,计算过滤器的长度。原苏联、美国以及我国的许多文献均给出了过滤器长度计算式,但值得讨论。3.2.1过滤器的直径和长度原苏联文献给出的过滤器长度计算式如(4)式,我国许多文献加以引用,但引用不全,也有些变异。为清楚说明起见,将原苏联文献《供水勘探生产井设计》关于过滤器长度计算式抄录如下:l0=Qαd(9)l0=Qαd(9)式中,l0为过滤器工作部分长度,m;Q为井的出水量,m3/h;α为经验系数,决定于含水层的粒度成分,可按表5确定;d为过滤器外径,mm。表5中列出的α值,系根据含水层的平均渗透系数,按照下面的经验公式确定的允许进水流速得到的V=653√k(10)V=65k√3(10)式中,k为含水层渗透系数。当k为其他值时,α值的大小以内插法确定。过滤器的外径,依过滤器的结构不同而取不同数值。1)具有圆形和缝隙状穿孔的管式过滤器,其外径为过滤管的外径;2)缠丝过滤器和钢筋骨架过滤器,其外径以缠丝表面算起;3)填砾过滤器,其外径以滤料的表面算起。按照井的开采和维修条件,过滤器骨架的最小直径不应小于100mm。对比式(4)和式(9)可以看出,式(4)引用不全面,式(9)中经验系数α的说明,我国文献中大多省略,往往产生误解。譬如式(4)即认为是区别于“渗透速度计算法”的另一种“经验系数法”。式(9)的注释清楚地说明,经验系数是依据允许进水流速得到的,也即过滤器工作部分长度仍是依据允许进水流速计算确定。式(9)中的过滤器外径d,从其注释的三种情况看,实际上是管井的进水段井径,由于名为过滤器外径,往往使人产生混淆,误认为是过滤管的外径。式(9)名为过滤器工作部分长度计算,是值得讨论的,其计算的依据是允许井壁进水流速和井壁进水段的井径,所以,计算的实质是计算井壁进水段的长度,而不是计算过滤器的长度。式(9)是依据井壁进水段的长度确定过滤器的工作部分长度,并非是直接计算过滤器长度,但由于名为过滤器工作部分长度计算,极易使人产生误解,其实,两者并不能划等号,在淹没式过滤器管井情况下,过滤器工作部分的长度,显然不等于井壁进水段的长度。此外,式(9)中所谓“过滤器工作部分长度”,即设计动水位以下的过滤器长度,显然,过滤器工作部分长度也不能与过滤器长度划等号,我国文献引用式(9)时,往往省略了“工作部分”4字,如式(4)即欠明确。式(9)的适用条件是比较厚的含水层。何谓比较厚的含水层,按照原文的叙述,是大于5m的含水层,但未说明上限。根据我国的管井工程实践,式(9)并不适用于厚度很大的含水层,我国文献引用该式时往往省略了该式的适用条件,很易导致误用。关于大厚度含水层分段和分层取水问题,是另一课题的内容,可参考有关文献。3.2.2过滤器长度计算式的分析美国《水井标准》过滤器长度计算式如式(7),式中的Ae为每英尺过滤管有效开孔面积,系依据过滤管的外径和过滤管的孔隙率,并乘以50%得到的单位长度过滤管有效进水面积,式中的Ve为允许过滤管进水流速,对比式(7)和式(9)可以看出,两式均是过滤器的长度计算式,但两式大不相同,式(7)的计算参数中有过滤管进水面积,并且允许进水流速系允许过滤管进水流速,而式(9)的计算参数中不涉及过滤器开孔面积,其允许进水流速为允许井壁进水流速,显然,两式大不相同。就计算式本身而言,两式均是正确的,但式(9)计算的实质是计算井壁进水段的长度,间接确定过滤器长度,而式(7)是直接计算过滤器的长度,在管井设计时,如概念不清楚,极易导致混淆和误解误用。式(7)是美国国家标准《水井标准》关于过滤器长度的计算,是英美等国对此规定的典型代表,而式(9)是原苏联等国关于过滤器长度规定的典型代表,突出反映了在管井设计上两种学术思想的差异。3.2.3管井进水流速计算方法的讨论《供水管井设计施工指南》是在我国管井工程界具有广泛影响的文献,该书所给出的3个过滤器长度理论计算法,反映了我国目前关于过滤器长度确定的现状,具有典型的代表性,也反映了诸多值得讨论的问题。1)允许进水实际速度计算法计算式如式(2),对比式(2)和式(7)可以看出,两式在形式上基本相同,但计算参数的含义及数值大不相同。式(2)中的A0为过滤器进水面积,显然是错误的,应该是过滤器单位进水面积,A0等于过滤器面积乘以过滤器的有效孔隙率P,计算结果并非是式(7)的过滤器有效进水面积,其过滤器有效孔隙率也不是我国国标《供水管井技术规范》GB50296-99的有效孔隙率,而是另一种“过滤器的有效孔隙率”,其概念是值得讨论的。式(2)中的V0为相应含水层的允许进水速度。其数值如表2所示,分析表2可知,该表也是值得讨论的,表中“含水层中的适宜进水速度、适宜进水速度、适宜进水渗透速度”,差别是什么?令人不解。其实上述三个流速均是“允许井壁进水流速”。表2在管井进水流速上出现了混淆。就该方法的名称“允许进水实际速度计算法”而言,“允许进水实际速度”作为一个新名词,名词不确切,概念也不清楚。2)渗透速度计算法计算式如式(3)。对比式(3)和式(2)可以看出,两式基本相同,式(3)中A为过滤器的面积,如上所述,也应是单位过滤器进水面积,式中的V为进水渗透速度,但其计算式为V=653√ΚV=65K−−√3,也即阿勃拉莫夫公式,显然是允许井壁进水流速计算式,所称之的进水渗透速度实际就是允许进水渗透速度,因此,方法2)与方法1)并无什么差别。3)经验系数计算法计算式如式(4),显然是引用原苏联标准的规定,但引用不全。如前所述,式中的经验系数α即是由允许井壁进水流速得到的。因此,单独划分出所谓经验系数计算法是一种误解。综上所述,《供水管井设计施工指南》所给出的3种过滤器长度计算法,存在诸多概念混淆,所给出的3个计算式则存在诸多值得讨论的问题。3.3松散层管井直径复核我国许多文献给出了过滤器直径复核式,建设部标准《供水管井设计、施工及验收规范》CJJ10-86并将复核关系式纳入到条文的规定之中,影响广泛,但值得讨论。我国《水文地质手册》给出的过滤器直径复核式如式(5),建设部标准给出的过滤器直径复核式如式(6),对比两式可以看出,两式大不相同,式(6)的分母中多了一个过滤管表层进水面有效孔隙率,并且式(6)中允许进水流速为允许过滤管进水流速,而式(5)为允许井壁进水流速。两式均是复核过滤器直径,复核式却大不相同,往往使人混淆和误解误用。建设部标准在给出过滤管外径复核式的同时也给出了松散层管井井径复核关系式如下:D≥QπLVj(11)D≥QπLVj(11)式中,D为井径,m;Q为设计出水量,m3/s;L为过滤器工作部分长度,m;Vj为允许入井渗透流速。Vj=√k15‚m/s(12)Vj=k√15‚m/s(12)k为渗透系数,m/s。式中的符号及含义均系规范原文。对比式(11)和式(5)可以看出,两式除允许流速计算公式不同外,完全相同,但复核的对象不同,式(5)是复核过滤器外径,式(11)是复核井径,往往使人产生困惑。式(5)和式(11)中虽然允许流速计算公式有所不同,但均是允许井壁进水流速计算式,仅是计算的数值不同而已,并且均不涉及过滤器的有效进水面积,因此,式(11)和式(5)是复核井壁进水段的井径,就概念而言,应该说,建设部标准的概念更为明确,因此式(6)是名副其实的过滤管外径复核式。过滤器直径复核的目的在于通过复核以确定过滤器的直径。在管井工程实践中,过滤器直径是根据管井设计出水量、管材规格、钻进工艺等多种因素综合考虑确定的,并不需要复核,即使按上述关系式复核,工程实践也不可能根据复核的结果增大或减少过滤器直径,复核也就无实际意义。在管井设计中真正需要复核的是管井进水流速,而不是过滤器的直径或井径。当管井进水流速过大时,将导致管井运行不良,使用寿命缩短等一系列弊端。因此,在管井设计中,复核管井进水流速,是管井设计非常重要的一项设计内容,管井进水流速如果超过允许进水流速,即应减少设计出水量以降低管井进水流速至允许进水流速之下,而不是增大过滤器直径或井径。3.4计算过滤器直径的计算式我国高校教科书《钻探工艺学》等文献同时给出了过滤器直径和长度的计算式。在所给出的计算过滤器直径计算式中,是假定过滤器长度已确定,计算过滤器直径;而在过滤器长度计算式中,是假定过滤器直径已确定,计算过滤器长度,显然,解是无穷的,计算即无实际意义。3.5滤器长度确定的工程实践我国现行国标《供水管井技术规范》GB50296-99未给出过滤器直径和长度的计算式或过滤器直径复核式,仅规定了确定的原则。在有关管井过滤器直径和长度的规定上,应该说是一个新类型的规定。规定是否正确?对此,学术界存在分歧和争议。就过滤器的长度确定而言,工程实践主要是依据含水层的厚度及其透水性确定。大量的试验资料表明,过滤器长度在一定范围内时管井出水量随过滤器的长度增大而增加,当过滤器长度超过某一阀值后,出水量增加很小,甚至无实际意义。试验表明,这个阀值大致为20～30m,据此,国标《供水管井技术规范》以含水层厚度30m为界,分别作出了规定。这一规定虽然不是很精确,但节省了试验费用,简单实用。原苏联和美国标准虽然给出了各自的过滤器长度计算式,但适用条件基本相同,对于很厚的含水层,如厚度超过30m的含水层,并不适用,对于较薄的含水层,如小于10m的含水层,则无需计算,可直接依含水层的类型和设计动水位确定。在比较厚的含水层条件下按计算式计算,工程实践一般也不会按计算结果精确地确定,近似而已。因此,计算式的实际意义并不大。4由于管道管道的直径和长度有规定的混乱原因4.1管井结构与井身横断面直径管井名词是我国特有的名词术语。英美文献一般称之为“深井”或“水井”,实则是同一种地下水抽水构筑物。管井名词本身极易造成误解,我国一些文献认为管井由井壁管、过滤管及沉淀管组成,即管井是由井管组成的管状井,井管外是“孔”,因而将井管直径称之为“井径”,而将井身横断面直径称之为“孔径”。这是因为“井”、“孔”概念混淆导致的误解。管井作为一种地下水抽水构筑物,并非是单指井管,而是包括了井管、井身及井内设施的整体。因此,管井结构是井身结构、井管配置及井内设施的统称。井径则是井身横断面的直径,而非井管直径。在我国目前管井工程有关文献和技术文件中,“井”、“孔”名词混用和并用是十分普遍的现象,这就导致了“井”、“孔”概念混淆;导致了井径与过滤管直径混淆;井壁进水流速与过滤管进水流速混淆,造成了过滤器直径和长度计算式或复核式计算参数错误。4.2过滤管进水段长度表1目前有关规定给出的过滤器直径和长度计算式或复核式中,管井进水流速均是必不可少的计算参数,在前述的过滤器直径和长度计算式或复核式中,管井进水流速不仅名称不同,而且计算公式不同,数值不同,往往造成混淆,导致计算或复核错误。管井进水流速是管井抽水时,地下水流通过管井两个过水断面上的流速。我国国标《供水管井技术规范》GB50296-99将通过井壁的流速称之为“井壁进水流速”,将通过过滤管进水缝隙的流速称之为“过滤管进水流速”,两者统称为管井进水流速。“井壁进水流速”是渗透流速,在数值上,井壁进水流速等于管井出水量除以井壁进水断面面积,即:Vj=QAj(13)Vj=QAj(13)式中,Vj为井壁进水流速,m/s;Q为管井出水量,m3/s;Aj为井壁进水断面面积,m2。Aj=πDLD为管井进水段井径,m;L为井壁进水段长度,m。过滤管进水流速是地下水流通过过滤管进水缝隙时的流速,是真实流速而不是渗透流速,即:Vg=QAg(14)式中,Vg为过滤管进水流速,m/s;Q为管井出水量,m3/s;Ag为过滤管有效进水面积,m2;Ag=πdln(15)d为过滤管外径,m;l为过滤管进水段长度,m;n为过滤管有效孔隙率。从上述可以清楚地看出,井壁进水流速和过滤管进水流速是概念不同,数值差异悬殊的两个不同流速。原苏联等国以井壁进水流速表示管井进水流速,而英美等国则以过滤管进水流速表示管井进水流速,所以在原苏联文献所给出的过滤器长度计算式中,允许管井进水流速是指允许井壁进水流速,而美国《水井标准》所给出的过滤器长度计算式中,允许管井进水流速是指允许过滤管进水流速。就管井进水流速概念而言,管井进水流速本身即包括了井壁进水流速和过滤管进水流速在内,是两者的统称。因此,管井进水流速单指其中任一个都是不全面的。在我国有关文献上,井壁进水流速又称之为“进井流速”、“进水流速”、“滤水速度”、“入口流速”、“邻近流速”、“入井渗透流速”、“含水层渗透速度”等。过滤管进水流速又称之为“过滤器进水流速”、“入管流速”、“入口流速”等,名称过多和交叉,导致了“井壁进水流速”和“过滤管进水流速”这两个不同流速相互混淆,是造成我国许多文献在给出的管井过滤器的直径和长度计算式或复核式中,允许管井进水流速混淆的重要原因。4.3非填砾过滤器和非过滤器过滤器直径也是前述过滤器长度计算式中必不可少的计算参数,显然,过滤器直径取值正确与否,对于计算结果具有十分重要的意义。目前我国有关文献中过滤器与过滤管是两个同义词,常常混同使用,实际上两者有差别。过滤器是管井起滤水、挡砂和护壁作用的装置。过滤管则有所不同,在非填砾过滤器情况下,过滤管即为过滤器,在填砾过滤器情况下,过滤管是填砾过滤器的骨架管,是填砾过滤器的组成部分,显然就不能称之为过滤器了。所以,过滤管与过滤器两者有差别,并不等同。在原苏联文献给出的过滤器长度计算式中,过滤器直径取值依过滤器的类型有所不同。对于填砾过滤器,过滤器外径应算至滤料的外缘,而英美标准给出的过滤器长度计算式中,过滤器外径则均为过滤管的外径,即使是填砾过滤器,其外径也绝不能算至滤料外缘,所言之的过滤器实际是过滤管。目前,由于过滤器、过滤管混同使用,往往造成过滤器直径取值错误,导致计算错误。在我国部分文献和技术标准中,过滤管又称之为“滤水管”,为过滤管的同义词,应该说,采用何者均是可以的,但比较而言,过滤管与过滤器名词相对应,较为合适,也符合《供水管井技术规范》GB50296-99等规范的规定。4.4过滤管有效孔隙率的计算从前述的过滤器长度计算式或过滤器直径复核式可以看出,式中的过滤器孔隙率和过滤器有效孔隙率的概念及数值均有所不同,极易造成误解误用,导致计算或复核错误。过滤器孔隙率一般认为是早有定论,其实不然,如式(1)中的过滤管孔隙率,一般均采用骨架管的孔隙率,实际并不正确,这涉及到管井过滤器孔隙率的概念和定义问题。但我国《水文地质术语》GB/T14157-93,对过滤器孔隙率定义为“滤水管的滤水孔眼的总面积与滤水管的表面积之比”,这一定义得到了普遍认同。但我国几十年的管井工程实践表明这一定义是值得讨论的。一般管井过滤器孔隙率,无论是填砾过滤器,还是非填砾过滤器,均指的是过滤管的孔隙率。因此,所谓过滤器孔隙率即是过滤管的孔隙率。过滤管依其结构不同,而有1～2个孔隙率。单层进水面过滤管,也即俗称之“光滤管”,由于仅有1个进水面,因此,仅有1个孔隙率;对于双层进水面过滤管,如穿孔管垫筋缠丝过滤管,由于有两个进水面,故有两个孔隙率,这说明过滤管并非只有1个孔隙率。当过滤管下入井内之后,无论管外是否填砾,过滤管外层进水面都不可能是原有的孔隙率,这是因为含水层的颗粒或人工滤料不可避免地遮挡和堵塞部分进水缝隙,从而使过滤管外层进水面孔隙率大大降低。我国国标《供水管井技术规范》GB50296-99规定将过滤管下入井内之后,过滤管外层进水面实际能够达到的孔隙率称之为过滤管有效孔隙率。管井工程的理论和实践均证实了有效孔隙率是客观存在的。在国外,英美文献没有过滤管有效孔隙率的名词,一般以过滤管有效进水面积表征,其结果完全一样。根据国标《供水管井技术规范》GB50296-99及建设部标准《供水管井设计、施工及验收规范》CJJ10-86的规定,过滤管有效孔隙率为进水面乘孔隙率的50%,这即是式(6)中过滤管有效孔隙率的依据所在。前述式(2)中的过滤器有效孔隙率是另外一种过滤器有效孔隙率,是我国文献《供水管井设计施工指南》所提出,其计算式如下:Ρ=ρμ或ρμ1(16)式中:P为过滤器有效孔隙率,%;ρ为过滤器骨架孔隙率,%;μ为含水层给水度;μ1为填砾的给水度。式中符号及其含义均系原文。分析该式可以看出,式中的过滤器骨架孔隙率所指不明确,应该不是指过滤管内层进水面孔隙率,而应是过滤管与含水层或滤料相接触的外层进水面孔隙率,填砾也即人工滤料。从其计算式看,计算的结果是含水层或滤料的有效给水度,而不是过滤器的有效孔隙率,应该说是名不符实,这与国标《供水管井技术规范》GB50296-99所指的过滤管有效孔隙率是两个不同的概念。就我国常用的穿孔管垫筋缠丝过滤管而言,内层进水面穿孔管孔隙率的大小是由管材的强度决定的,金属穿孔管孔隙率较大,非金属穿孔管孔隙率相对较小,一般在15%～30%之间。外层进水面缠丝间距一般在0.5～3mm之间,由此产生的孔隙率一般在12%～44%之间。当过滤管下入井内之后,缠丝面由于与含水层颗粒或滤料相接触,孔隙率减少50%,而内层穿孔管的孔隙率不减少,这就使得缠丝面有效孔隙率在大多数情况下小于内层穿孔管的孔隙率,也即外层进水面有效孔隙率表征了过滤管的实际进水性能。对于单层进水面过滤管,可以看作是外层进水面和内层进水面合二为一的过滤管,其过滤管有效孔隙率同样表征了过滤管的实际进水性能。这表明,过滤器孔隙率定义为内层骨架管的孔隙率,不符合过滤管进水的实际情况,因此不正确。过滤器孔隙率并不单指某一进水面的孔隙率,而应是内外层进水面孔隙率及过滤管有效孔隙率的统称。因此,前述的过滤器直径及长度计算式或复核式中,过滤器孔隙率采用内层骨架管的孔隙率不正确,应为过滤管有效孔隙率,而式(2)中的所谓过滤器有效孔隙率不仅名不副实,且数值亦差异很大。过滤器孔隙率及过滤器有效孔隙率概念错误和混淆,是导致过滤器直径和长度计算或复核错误的重要原因之一。5过滤管有效进水面积的确定从理论上讲,过滤器直径与长度的确定,应该是过滤管的外径和过滤管长度的确定,并由此决定了过滤管的表面积。过滤管表面积乘以过滤管有效孔隙率,即得到过滤管有效进水面积Ag,即式(15)。过滤管有效进水面积即过滤管的实际进水面积,式(15)中过滤管有效孔隙率系根据《供水管井技术规范》GB50296-99的规定。管井的允许出水量:Q=AgVg(17)式中,Vg为允许过滤管进水流速,0.03m/s。在管井出水量确定的情况下,由于允许过滤管进水流速是定值,过滤管有效进水面积即是定值,这就清楚地说明了过滤管直径和长度确定的实质是确定过滤管的进水面积。从式(17)可以看出,过滤管直径与过滤管长度互为变量,也即由一个关系式确定两个变量,解是多值性的。这说明,同时给出过滤管直径和长度的计算式,在理论上是不成立的。相同道理,井壁进水段的直径和井壁进水段的长度决定了井壁进水段进水面积,即Aj=πDL(18)式中,Aj为井壁进水段面积,m2;D为井壁进水段直径,m;L为井壁进水段长度,m。井壁进水段面积乘以允许井壁进水流速,即是管井允许出水量,即:Q=AjVj(19)式中,Vj为允许井壁进水流速。在管井出水量确定的情况下,井壁进水段的面积即是定值。从式(19)可以看出,井壁进水段直径与井壁进水段长度互为变量,解也是多值性的,我国文献大多将井壁进水段直径称之为过滤器直径,将井壁进水段长度称之为过滤器长度,往往造成混淆和误解误用。前述《水文地质手册》所给出的过滤器长度计算式和过滤器直径复核式,实际就是井壁进水段长度计算式和井壁进水段直径复核式。显然,同时给出井壁进水段直径和长度计算式,在理论上也是不成立的。6未考虑过滤器直径和长度的内在联系,但确定原则不同目前,国内外有关规定给出的过滤器直径和长度确定原则,一般是仅给出其一的确定原则,但所给出的确定原则也不尽相同,共性问题在于,未考虑过滤器直径和过滤器长度两者的内在联系,孤立地给出其一的确定原则。我国管井工程的实践表明,过滤器的直径和长度确定,应根据场地的水文地质条件,综合考虑各方面的因素加以确定,无需计算。6.1确定过滤器长度的原则6.1.1过滤器长度的确定目前,有关规定关于过滤器长度的确定原则,大多是以含水层的厚度为依据,但规定的含水层厚度界限值有所不同。《供水管井技术规范》GB50296-99及《供水管井设计、施工及验收规范》CJJ10-86关于松散含水层情况下过滤器长度的确定原则,以含水层厚度30m为界限值分别作出规定,对于供水管井是合适的。1)含水层厚度小于30m时,对于潜水含水层,过滤器长度宜取设计动水位以下的含水层厚度,对于承压含水层,可取含水层的厚度。2)含水层厚度大于30m时,应根据设计出水量和含水层的透水性确定,当含水层厚度很大,且需水量也很大时,宜考虑分段取水或分层取水。6.1.2含水层厚度的影响对于降水管井,由于管井井深