К фильтрам предъявляются следующие основные требования:
1) максимальная пропускная способность воды при хорошей ее очистке;
2) достаточная механическая прочность, антикоррозийная устойчивость и длительный срок эксплуатации;
3) простота изготовления и небольшая стоимость.

В зависимости от характера рабочей части различают следующие типы фильтров: каркасные без покрытия, каркасные с тонкими фильтрующими покрытиями, с фильтрующим заполнителем и фильтры с засыпкой.

Каркасные без покрытия фильтры устанавливают в водоносных горизонтах, представленных неустойчивыми скальными или полускальными породами, гравийно-галечниковыми отложениями и гравелистыми крупнозернистыми песками.

Каркасные фильтры бывают трубчатыми и стержневыми. Трубчатые каркасы могут быть стальными, пластмассовыми, деревянными, асбоцементными, керамическими и др. При выборе материала трубчатых каркасов учитывается качество подземных вод. Для оборудования скважин в сильноминерализованных, агрессивных водах применяются неметаллические фильтры или фильтры из нержавеющей стали. На боковой поверхности трубчатых каркасов высверливаются круглые отверстия или прорезаются продольные щели. Диаметр круглых отверстий принимается в 2,5—4, а ширина щелей в 1,2—2 раза больше среднего размера частиц породы водоносного горизонта.

Рис. 1. Каркасно-стержневой фильтр:
1 — муфта; 2 — опорное кольцо; 3 — металлические стержни; 4 — соединительная резьба; 5 — соединительный патрубок; 6 — кольцо-насадка

Рис. 2. Тарельчатый фильтр

Круглые отверстия размещаются в шахматном порядке по вершинам равностороннего треугольника. Расстояние между центрами смежных отверстий, называемое шагом перфорации, в 2—2,5 раза больше их диаметра. Щели на поверхности трубчатого каркаса прорезают длиной, в 10—15 раз большей ширины.

Водопропускная способность фильтра характеризуется его скважностью, т. е. отношением площади проходных отверстий ко всей рабочей поверхности фильтра. Скважность фильтра с круглыми отверстиями достигает 25—30%, а щелевого 10— 15%.

Каркасно-стержневой фильтр состоит из двух соединительных патрубков с кольцами, к которым концами приварены стальные стержни диаметром 10—18 мм и длиной 2—3,5 м. Для придания каркасу большей жесткости внутри него через каждые 250—350 мм устанавливают опорные кольца. Соединительные патрубки, изготовляемые из обсадных труб, имеют на концах резьбу для соединения отдельных звеньев фильтра муфтами. Такие фильтры просты в изготовлении, дешевы и имеют высокую скважность (до 50—60%).

К типу каркасных относится также тарельчатый фильтр, предназначенный для оборудования водоприемной части скважин в тонко- и мелкозернистых, средне-и крупнозернистых песках. Водопропускная часть фильтра представляет собой набор расположенных в определенном сочетании плоских и конических колец, отлитых из ударопрочного полистирола. Опорные площадки плоских колец образуют горизонтальные щели, ширина которых в зависимости от гранулометрического состава водовмещающих песков при сборке фильтра устанавливается равной 0,1; 0,25 и 0,5 мм. Конические кольца имеют вертикальные щели шириной 0,2 мм. Рабочая часть фильтра (ее длина 2,6 м) скреплена стержневой обрешеткой, состоящей из двух фланцев, стянутых четырьмя стержнями. К фланцам приварены соединительные патрубки 1, а к стержням через 250 мм — наружные кольца жесткости.

Если каркасные фильтры из стальных труб могут быть установлены на любой глубине скважины, то каркасно-стержневые и тарельчатые фильтры рекомендуются для глубин, не превыiаюших 200 м.

В водоносных песках различной зернистости применяют каркасы с тонким фильтрующим покрытием, в качестве которого используется наматываемая на каркас проволока или различных типов фильтровая сетка.

Каркасно-проволочные фильтры применяют для установки в гравелистых и крупнозернистых водоносных песках. Они представляют собой стержневые или трубчатые каркасы, обмотанные проволокой диаметром 1,5—3 мм из нержавеющей стали. Для улучшения доступа воды внутрь фильтра по образующим каркаса через 40—60 мм приваривают ребра из проволоки диаметром 3—5 мм. Шаг спиральной обмотки зависит от гранулометрического состава водосодержащих пород и принимается равным 1—6 мм. Вместо стальной проволоки можно использовать капроновый шнур диаметром 3—5 мм, наматывая его на каркас без видимого зазора между витками.

Сетчатые фильтры рекомендуется применять в крупно-, средне- и мелкозернистых водоносных песках. Сетчатые фильтры состоят из трубы-каркаса, круглые отверстия или продольные щели которого снаружи закрыты фильтровой сеткой. Чтобы не допустить плотного прилегания сетки к каркасу под давлением водоносного песка и этим же препятствовать свободному доступу профильтровавшейся воды, между каркасом и фильтрующей сеткой делается прокладка, в качестве которой может быть использована сетка с крупными ячейками, а также проволока диаметром 2—5 мм, уложенная отрезками по образующим каркаса или навитая спиралью с шагом 20—60 мм.

Рис. 3. Сетчатый фильтр и типы фильтровых сеток:
а — спусковой ключ; б — фильтр сетчатый; 1 — муфта для спуска фильтра на ключе; 2 — подвижный фланец; 3 — резиновый тампон; 4 — неподвижный фланец; 5 — фильтровая сетка; 6 — перфорированный каркас; 7 — проволочная обмотка; в — квадратная сетка; г — киперная сетка; д — галунная сетка

Для изготовления фильтровых сеток применяют латунь, нержавеющую сталь, пластические массы, ткани из стекловолокна, нить капрона или нейлона и т. д.

Наибольшее распространение получили металлические сетки, выпускаемые трех видов плетения: квадратного (простого), киперного (саржевого) и галунного (гладкого). Квадратные сетки (рис. 135, в) изготовляют из проволок одинакового

диаметра, переплетающихся под прямым углом на равном расстоянии. Применяют эти сетки в качестве фильтрующих при установке в крупнообломочных, гравийных и галечниковых отложениях, а также для прокладки при покрытии каркаса сетками с мелкими отверстиями. Маркируют сетки квадратного плетения номером, обозначающим количество проволок на отрезке длиной 25,4 мм. Киперные сетки могут быть изготовлены из проволоки одинакового или разного диаметра. Проволоки основы (продольные) переплетают две или три проволоки утка (поперечные). При этом место переплетения одной проволоки сдвинуто на одну нить по отношению к соседней. Киперные сетки применяют в водоносных горизонтах, сложенных неравнозернистым песком с примесью крупных частиц. Галунная сетка состоит из утолщенных проволок основы, которые отстоят друг от друга на значительном расстоянии, и переплетающих их проволок утка, которые имеют меньший диаметр и плотно прилегают друг к другу. Отверстия в такой сетке получаются боковыми и на свет не просматриваются. Маркируются галунные сетки дробным номером, числитель которого обозначает количество проволок основы, а знаменатель — проволок утка на площади сетки 25,4 X Х25,4 мм. Сетки галунного плетения используют в мелко- и среднезернистых водоносных песках.

Подбирают фильтровую сетку с таким расчетом, чтобы через рабочую часть галунной сетки проходило 70—80%, а киперной 40—60% фракций гранулометрического состава породы водоносного горизонта.

Металлические сетки укрепляются на каркасах путем припа-ивания их верхнего, нижнего и продольных краев к каркасу. Швы сетки предохраняют от повреждения напаиваемой на них латунной пластинкой. При большом диаметре фильтра продольной припой сетки заменяется сшивкой медной проволокой.

Галунные сетки располагают на каркасе фильтра таким образом, чтобы проволоки утка были параллельны его оси. Это уменьшает вероятность повреждения сетки при спуске фильтра в скважину.

Латунные сетки, наложенные на стальной каркас, вследствие разноименности материала образуют активную гальваническую пару в минерализованной воде и подвергаются электрохимической коррозии. Для предотвращения этого явления рекомендуется замена металлических каркасов неметаллическими (асбоцементными или пластмассовыми), а также применение неметаллических сеток из пластмасс или из стеклянных тканей. Срок службы таких фильтров, особенно при откачках агрессивных вод, значительно увеличивается.

Пластмассовые сетки изготовляют штамповкой или плетением. На каркас такие сетки накладывают двумя или тремя слоями, что повышает их прочность на продавливание. Сетки из стеклоткани имеют высокую плотность плетения, в связи с чем их можно использовать при откачке вод из мелкозернистых водоносных песков. Применяются также фильтры с сетками из капрона и нейлона для оборудования скважин, эксплуатирующих термальные и минеральные воды. Сетки из пластических масс и стекловолокна прикрепляются к каркасу сшивкой или специальным клеем.

Рис. 4. Фильтр с коническими отверстиями (ФКО):
а — конструкция фильтра; 6 — общий вид: 1 — труба-каркас; 2, 4 — концевое и промежуточное крепежные кольца; 3 — фильтрующая оболочка

В водоносных песках разной зернистости используются фильтры с коническими отверстиями (ФКО), представляющие собой трубчатый каркас с отверстиями, на котором закреплена фильтрующая оболочка из тонколистовой оцинкованной или нержавеющей стали. Фильтрующая оболочка имеет усеченные конические выступы с круглыми отверстиями в их вершинах. Диаметры отверстий зависят от зернистости водоносного песка и принимаются от 7 до 16 мм. В тонкозернистых песках устанавливается фильтр ФКО-Т, в мелкозернистых — ФКО-М, в среднезернистых — ФКО-С. Длина рабочей части ФКО — 4500 мм, диаметры по каркасу и крепежным кольцам 89/107; 108/126; 127/145; 146/164; 168/186; 219/238 и 273/292 мм.

Рис. 5. Блочный фильтр:
1 — зажимные конусы; 2 — верхний опорный фланец; 3 — капроновые шнуры; 4 — ребристые керамические блоки; 5 — резиновые прокладки; 6 — нижний опорный фланец

Скважность ФКО 2—8%. Наиболее эффективны эти фильтры в песках с низкой водопроницаемостью. Основной недостаток ФКО — незначительная продолжительность их работы (1— 1,5 года). Поэтому рекомендуется применять их при поисково-разведочных работах на водоносные горизонты в средне- и мелкозернистых глинистых песках, а также при кратковременном водопонижении и осушении для строительных целей в слабопроницаемых грунтах.

В мелко- и тонкозернистых водоносных песках применяют блочные фильтры и фильтры с засыпкой.

Блочные фильтры с пористым фильтрующим заполнителем изготовляют в виде цилиндрических блоков из гравия, дробленого шамота, огнеупорных глин, пропитанных связывающими материалами (цемент, битум, клей БФ-4, бакелитовый клей, жидкое стекло и др.). Последовательно соединенные блоки стягивают капроновыми шнурами или болтами. Стыки между блоками уплотняются резиновыми кольцами.

Фильтры с засыпкой состоят из обычного каркасно-прово-лочного или сетчатого фильтра, рабочая часть которого окружена слоем гравия или крупнозернистого песка.

По способу изготовления различают фильтры с засыпкой двух типов:
1) собираемые на поверхности и в готовом виде опускаемые в скважину (опускные);
2) создаваемые в скважине путем засыпки песка и гравия между каркасом и стенками скважины (засыпные).

Опускные фильтры имеют воронкообразные корзины (корзинчатые) или перфорированный кожух (кожуховые фильтры), которыми гравий удерживается на каркасе.

Засыпные фильтры создают следующим образом. После доведения скважины до проектной глубины и установки башмака обсадных труб в водоупорной породе на забой опускается каркасный, каркасно-проволочный или сетчатый фильтр, наружный диаметр которого как минимум на 100 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб. В кольцевое пространство между фильтром и обсадными трубами через трубу диаметром 40—50 мм засыпают мелкими порциями отсортированные гравий и песок. По мере засыпки постепенно поднимают обсадную колонну.

Засыпать гравий следует на 5—10 м выше башмака колонны обсадных труб, приподнятой над водоносными породами и обнажившей рабочую часть фильтра.

Крупность засыпаемого материала подбирается с учетом размера зерен водосодержащих пород. Средний размер зерен обсыпки и породы должны находиться в соотношении 10:1. Засыпные фильтры имеют высокую пескоудерживающую способность и длительный срок службы, что обусловило их широкое применение.

Установка фильтра любого типа в скважине с неустойчивыми стенками, пробуренной ударно-канатным способом, производится под защитой колонны обсадных труб, башмак которой задавливают в водоупор, подстилающий водоносный слой. После установки фильтра обсадные трубы приподнимают настолько, чтобы рабочая часть фильтра оказалась обнаженной, или полностью извлекают из скважины.

Рис. 6. Опускные фильтры с засыпкой:
а — корзинчатый; б и в — кожуховые: 1 — опорный каркас; 2 — гравийная обсыпка; 3 — внешний каркас; 4 — направляющие фонари; 5 — опорные фланцы; 6 — фильтровая сетка

При вращательном бурении с промывкой раствором перед вскрытием водоносного пласта скважину перекрывают обсадной колонной, обычно используемой в качестве эксплуатационной. Водоносный пласт в этом случае трубами не перекрывается, так как стенки его удерживаются глинистой коркой и гидростатическим давлением столба жидкости.

Фильтр может быть спущен в скважину на колонне труб, которая оставляется в скважине в качестве эксплуатационной, на колонне обсадных труб с левым переводником и на бурильной колонне со спусковым Т-образным ключом. Последние два способа применяют при установке фильтра впотай и позволяют отсоединить от него колонну, использовавшуюся в качестве спускной.

Чтобы предотвратить проникновение в скважину частиц породы и засорение фильтра, кольцевой зазор между надфильтровой частью фильтра, устанавливаемого впотай, и эксплуатационной колонной уплотняют специальными сальниками из дерева, пеньки, резины. Наиболее распространены пеньковый и резиновый разжимной сальники.

Рис. 7. Схема установки в скважине засыпного фильтра:
а — в начале засыпки гравия в межтрубное пространство: 1 — трубы; 2 — муфта; 3 — рабочая часть; 4 — обсадные трубы; б — после окончания засыпки

При бурении с промывкой глинистым раствором частицы глины образуют на стенках скважины корку и закупоривают поры породы водоносного горизонта, прекращая доступ из него воды в скважину.

Для восстановления водоотдачи водоносного горизонта необходимо удалить глинистую корку со стенок скважины, а также очистить поры и трещины водоносной породы от частиц глины и шлама.

Способ восстановления водоотдачи выбирается с учетом гранулометрического состава водоносных пород и конструкции установленного в скважине фильтра.

Разглинизацию напорных водоносных горизонтов, представленных разнозернистыми песками или трещиноватыми породами, осуществляют прокачкой скважины эрлифтом. В данных условиях целесообразно применение метода, разработанного Д. Н. Башкатовым, В. И. Блажновым и Ю. А. Олоновским. Сущность этого метода заключается в следующем. После вскрытия водоносного пласта в скважину, заполненную глинистым раствором, опускается фильтр. В нижней части фильтра имеется ниппель с промывочными окнами. Выше окон на алюминиевых заклепках устанавливается кольцо. В фильтровую колонну опускают воздухопроводные трубы эрлифта. Желательно, чтобы смеситель эрлифта находился на уровне окон ниппеля. При прокачке стенки скважины в зоне фильтра обрушиваются, и заглинизированный песок через промывочные окна 6 поступает в фильтр, откуда вместе с водой выносится на поверхность. Для большей эффективности разглинизации следует применять пульсирующий режим откачки (периодически на 10—15 мин выключать компрессор). Закончив разглинизацию, воздухопроводными трубами эрлифта ударяют по кольцу. Заклепки срезаются и кольцо опускается на упор, закрывая промывочные окна. Окончание разглинизации определяется отсутствием глинистого материала в песке, выносимом из пласта на поверхность.

Разглинизацию слабонапорных водоносных горизонтов производят промывкой зафильтровой зоны водой, прокачиваемой через фильтр. Если водоносная порода представлена крупнозернистым песком, вода закачивается через трубы, на которых фильтр был опущен в скважину, проходит через его рабочую часть, разрушает глинистую корку и выносит частицы глины на поверхность через межтрубное пространство. Если же водоносный горизонт сложен мелко- и среднезернистыми песками, промывку лучше вести через башмак отстойника фильтра. В этом случае нижний конец колонны бурильных труб, на которой фильтр опускается в скважину, устанавливается в конусное отверстие пробки отстойника. К бурильным трубам приварен переходник, левой резьбой соединяющийся с верхним концом фильтра. Спущенный в скважину фильтр подвешивают над забоем на расстоянии 0,5 м. Вода, закачиваемая через бурильные трубы, проходит через отстойник в зафильтровую зону и размывает глинистую корку. После окончания промывки фильтр устанавливают на забой, а нижнюю часть отстойника засыпают гравием на высоту 0,3—0,4 м.

Рис. 8. Фильтр с промывочными окнами:
1 — труба перфорированная; 2 — проволока; 3 — сетка; 4 — ниппель; 5 —упор; 6 — промывочное окно; 7 —заклепка; 8 — кольцо

Рис. 9. Схема установки фильтра с гидротурбинным расширителем:
1 — бурильная труба; 2 — левый переходник; 3 — надфпльтро-вая труба; 4 — рабочая часть фильтра; 5 — труба; 6 — центратор; 7 —отстойник; 8 — гидротурбинный расширитель; 9 — нерасширенный участок скважины; 10— расширенный интервал скважины

Применение промывки зафильтровой зоны возможно лишь при зацементированном башмаке колонны обсадных труб, перекрывающей скважину до кровли водоносного пласта.

Если промывку зафильтрового пространства невозможно применить из-за отсутствия воды или по другим причинам, водоотдачу слабонапорного водоносного горизонта восстанавливают поршневанием скважины с помощью желонки или сваба.

При использовании желонки ее опускают в скважину на канате и равномерно перемещают от нижнего до верхнего краев фильтра без извлечения на поверхность. В результате создаваемого таким образом перепада давления глинистая корка разрушается и вода из водоносного горизонта поступает в скважину.

Сваб представляет собой металлический плоский поршень с отверстиями, перекрытыми сверху резиновым клапаном. Сваб опускают в скважину на бурильных трубах и перемещают внутри фильтровой (или эксплуатационной) колонны. Во время движения его вверх из зафильтровой зоны вместе с водой засасывается глинистый раствор, а при движении под действием массы бурильных труб вниз вода и глинистый раствор проникают выше поршня, отгибая резиновый клапан. Перепад давления при свабировании весьма значительный. Поэтому в скважине, оборудованной сетчатым фильтром, сваб перемещается выше рабочей части фильтра во избежание повреждения сетки. В фильтрах, представляющих собой перфорированный или щелевой каркас, возможно движение сваба вдоль их рабочей части. Ход сваба в трубах скважины зависит от высоты вышки или мачты и при возможности принимается равным 12—18 м.

Для разрушения глинистой корки и расширения ствола скважины в слабоцементированных или неустойчивых песках под гравийную обсыпку успешно применяется установка фильтра с использованием гидравлического турбинного расширителя. Расширитель представляет собой полый вал с радиальными отверстиями, на который посажен корпус тур-бинки с соплами. Гидравлические турбинные расширители используются диаметрами 140, 190, 240 мм.

Фильтр опускают в скважину на бурильных трубах, соединенных с надфильтровой частью левым переходником. На нижнем конце бурильной колонны, пропущенной внутри фильтра, установлен расширитель так, чтобы он на 0,1—0,25 м выступал ниже отстойника фильтра. При достижении снарядом кровли водоносного горизонта включается буровой насос, и вода, поступая в расширитель, под действием реактивной силы вращает турбинку. Глинистая корка и водоносный песок разрушаются и выносятся из скважины.

По окончании спуска фильтра на заданную глубину вращением вправо освобождают левый переходник от фильтра, и бурильные трубы с гидротурбинным расширителем извлекают из скважины. В отстойник фильтра засыпается крупный гравий на высоту 2—2,5 м. Зафильтровое пространство перед подъемом бурильных труб при необходимости заполняется песчано-гравийным материалом.