Колонковое бурение фиксируется на применении для проходки глинистых и прочных пород, таких как супеси с суглинками и глины. Этот метод совершенно не подходит для работы с рыхлыми песками, водонасыщенными песками, гравием и галькой, поскольку сам процесс бурения не способен удерживать такие материалы.
Способы бурения скважин: технологические принципы и особенности основных методов
Создание водозаборной скважины связано с использованием разнообразных методов бурения. Для извлечения рыхлых и насыщенных влагой грунтов чаще всего применяется желонка. На практике же для пробивки глинистых и скальных пород используются методы бурения, основывающиеся на вращательном и вибрационном принципах.
Работа включает механизмы, способные разрабатывать грунты различных типов на различных глубинах. Мы предложим рекомендации по выбору оптимальной технологии бурения, что позволит эффективно и быстро создать водозабор.
Для более наглядного восприятия представленного материала в текст включены полезные схемы, фотоподборки и видеоинструкции, которые иллюстрируют основные моменты процесса бурения.
Виды буровых способов
Ранее бурение водоносных скважин для личных нужд выполнялось преимущественно вручную, что был длительный и трудоемкий процесс. Поэтому не каждый владелец земельного участка или дачи мог похвастаться наличием собственного источника водоснабжения.
С течением времени механизированное бурение стало вытеснять ручные методы благодаря значительному упрощению и ускорению всего процесса.
Сегодня практически все водоносные скважины бурятся механизированным способом, который опирается на разрушение грунта и его подъем на поверхность двумя способами: сухим, при котором отработанная порода убирается из скважины с использованием механизмов, и гидравлическим, когда извлечение происходит с помощью воды, подаваемой под давлением или самотеком.
К механическому бурению можно отнести три главных метода:
- Вращательный (грунт разрабатывается за счет вращения инструмента).
- Ударный (бурснаряд осуществляет разрушение грунта ударами).
- Вибрационный (грунт извлекается за счет высокочастотных колебаний).
Наиболее высокопроизводительным считается вращательный способ, эффективность которого в 3-5 раз превосходит ударный и в 5-10 раз вибрационный. Этот метод также является наиболее экономически привлекательным и доступным, что делает его популярным даже при ручном бурении.
Механические вращательные способы бурения водозаборных скважин пришли на смену менее эффективным ручным методам.
Вращательный способ бурения, широко используемый для создания скважин на воду, обладает дополнительной классификацией на четыре основные разновидности:
- колонковое;
- шнековое;
- ударно-канатное;
- роторное.
Каждый из этих видов вращательного бурения имеет свои уникальные характеристики и выполняется специализированным оборудованием. Давайте более подробно рассмотрим эти виды бурения, выяснив их ключевые отличия и рекомендации по их применению в различных ситуациях.
Типы бурения скважин
Исторически сложилось так, что бурение грунтовых вод для собственных нужд в основном выполнялось вручную. Этот процесс был весьма долгим и трудоемким, поэтому далеко не все владельцы участков могли позволить себе иметь собственный источник воды.
С течением времени механизированное бурение пришло на смену ручному, так как оно значительно ускоряет и облегчает всю работу.
В современности большинство водозаборных скважин бурится механизированным способом, который основывается на разрушении грунта и его последующей подаче на поверхность двумя доступными способами: сухим способом — когда отработанный грунт удаляется из скважины специализированными механизмами, и гидравлическим — когда он смывается водой, подаваемой под давлением или весом.
Существует три основных метода механического бурения:
- Вращательный (для разработки грунта используется вращение).
- Ударный (разрушение производится благодаря ударам бурового инструмента).
- Вибрационный (грунт разрабатывается посредством высокочастотных колебаний).
Ротационный метод считается наиболее эффективным, так как он в 3-5 раз производительнее чем ударный, и в 5-10 раз продуктивнее вибрационного. Кроме того, ротационный метод является самым экономически доступным, что делает его популярным даже для ручной сверловки.
В свою очередь, метод вращательного бурения, который активно используется при строительстве водяных скважин, можно разделить на четыре категории:
- столбчатое;
- шнековое;
- ударно-канатное;
- роторное.
Каждый метод роторного бурения обладает своими уникальными характеристиками и выполняется на специализированном оборудовании. Давайте внимательно исследуем эти виды перфорации, определим их различия и дадим рекомендации по тому, какой метод следует использовать в различных обстоятельствах.
Особенности колонкового бурения
Колонковое бурение представляет собой механический роторный метод, при котором извлечение глинистого или плотного песчаного грунта происходит в форме цилиндрического керна. Корончатое сверло в этом случае является толстостенной металлической трубкой.
На верхней части бурильной колонны размещается устройство для соединения штанг, которое необходимо для создания бурильной колонны. Ниже располагается коронка, тип которой определяется в зависимости от грунта, который планируется пробурить.
При извлечении керна разрушение земли происходит за счет полой трубы с основанием, которое имеет острый конец. Инструмент выполняет вращательно-поступательные движения, врезаясь в землю с помощью коронки, углубляется и удерживает собранную породу. Полость трубы заполняется извлечённым грунтом, который затем вынимается на поверхность и освобождается путём удара по стенкам трубы специальным молотом. Корончатое бурение идеально подходит для работ с связными глинистыми породами, такими как супеси с суглинком и глины. Однако данный метод не может удерживать рыхлые пески, водонасыщенные пески, гравий, гальку и другие подобные материалы.
При использовании стержневого метода грунт разрушается при помощи кольцевой коронки. В этом процессе внутренняя часть сердечника остается нетронутой. Чтобы улучшить процесс бурения в твердых и полутвердых глинах и других породах, осуществляется подача промывочной жидкости на забой.
Во время отбора керна состоявшийся грунт не разрушается, а пробуривается с помощью наконечника и захватывается колонковым стволом. Выемка пробуренной породы осуществляется на поверхность в виде керна, который представляет собой монолитный цилиндр породы.
Ил, располагающийся на нижней части, иногда удаляется промывкой за счёт закачивания большого количества воды. Чаще всего вместо этой процедуры применяется продувка сжатым воздухом, который подается в трубу с помощью компрессора. Данный вид бурения позволяет осуществлять бурение скважин на глубину до 1000 метров и диаметром от 8 до 20 см.
Механическое колонковое бурение осуществляется с помощью буровых установок модели ЗИФ, УГБ, УКБ, установленных на транспортных средствах типа КАМАЗ, КРАЗ, трелевочных тракторах и подобных машинах. Центральная труба, порой перевернутая кверху дном, имеет аналогичную конструкцию.
Корончатое бурение применяется в следующих случаях:
- геологическое обследование полезных ископаемых;
- бурение разведочных скважин;
- установка водоносных горизонтов на любой глубине, включая нефильтрованные каменные колодцы.
При создании частных водозаборных скважин в некоторых случаях перед началом шнекового или роторного бурения используется керновой метод, считающийся как разведочным, так и подготовительным.
Для частных скважин колонковое бурение обычно применяется в комбинации с ударным канатом. Слои глиняных пород проходят через центральную трубу. Рыхлый песок, гравий и смесь гравия с песком не задерживаются в центральной трубе и удаляются из ствола с помощью гелеобразования.
С точки зрения эффективности базовый метод немного уступает шнековому виду бурения водозаборных скважин. Шнек пробуривается быстрее, но не позволяет полностью очистить отверстие от пробуренной породы. Эти методы нечасто используют парами, но если так происходит, шнек сможет пройти первые несколько метров.
Коронки аккуратно обрезают почву по периметру, не разрушая её, тем самым создавая колонны — стержни, изучая которые, можно составить гидрологический разрез исследуемого участка.
Используемое оборудование и инструменты
Для отбора керна применяют следующие инструменты:
- сверла из алмаза или другого твердых металлов, таких как сталь и вольфрам;
- центральная трубка;
- труба для отвода ила;
- штанги, необходимые для удлинения бурильной колонны;
- муфты, переходники, вводы для кабелей.
Особенности колонкового бурения
Колонковое бурение разрабатывается преимущественно на песчаных или рыхлых глинистых грунтах. Процесс извлечения почвы осуществляется в виде керна, а бурение происходит с использованием специального долота. Дополнительные углубления также могу быть выполнены с помощью специальных коронок, которые монтируются на трубу. Вращательный момент передается на грунт через трубы с надежным креплением. Если бурение осуществляется в плотных породах, к буровым работам дополнительно подается промывочная жидкость. К твердым породам относятся:
- Суглинки;
- Скальные породы;
- Тяжелые глины.
С помощью большого объема воды также возможно удалить шлам из забоя. В некоторых случаях вместо промывки производится продувка сжатым воздухом, который подается внутрь трубы посредством специального компрессора. При колонковом бурении возможно создавать скважины диаметром от 8 до 20 сантиметров и глубиной до одного километра. Основные работы производятся с использованием буровых установок, установленных на автомобилях типа КАМАЗ или КРАЗ.
Особенности шнекового бурения
Шнековое бурение используется для разработки водоносных скважин частных хозяйств. Метод бурения с помощью шнека подразумевает ввинчивание в породу, что позволяет одновременно с углублением скважины извлекать грунт. Шнек представляет собой стержень с лопастями. Такая конструкция не обеспечивает полного извлечения отработанного грунта, поэтому данный метод эффективен в основном при проходке верхних слоев.
Наиболее часто этот метод пригоден для создания скважин глубиной не более 30 метров в мягких почвах и до 20 метров в средне-плотных грунтах. После извлечения шнека скважина укрепляется обсадкой, а сама скважина очищается от остатков пород. Применение шнека в бурении плотных и скальных пород нецелесообразно, поэтому данный метод может комбинироваться с другими способами бурения.
Гидробурение
По своей сути, этот тип бурения скважин весьма схож с канатно-вращательным методом. Основное отличие заключается в использовании забурников. Грунт размывается под воздействием значительного напора воды. Данный метод идеально подходит для рыхлых грунтов, суспензий и песка. Однако он имеет и некоторые недостатки, среди которых — неспособность справиться с прослойками юрских глин. Когда буровой инструмент натыкается на плывун, поглощается большое количество воды, а осевший песок замедляет процесс бурения.
Бурение скважин при этом происходит очень быстро. Поэтому необходимо заранее подготовить обсадную трубу, чтобы быстро установить её в землю. В воду для бурения добавляют хлористоводородную кислоту, концентрация которой должна составлять один к двадцати тысячам. Это необходимо для предотвращения загрязнения водоносного слоя во время бурения. Процесс создания скважины осуществляется достаточно быстро, однако обсадная колонна должна быть подготовлена до начала бурения. Поток воды должен содержать не менее 50 миллиона долей хлористоводородной кислоты, что позволяет предотвратить загрязнение водоносного слоя.
С помощью этого метода можно пробурить скважину глубиной до 15 метров с диаметром от 50 до 300 миллиметров. После установки обсадных колонн столб заливается снаружи до глубины как минимум трех метров от поверхности земли.
Перфоративное бурение
Этот метод бурения используется для создания абиссинского колодца.
Для этого используются трубы из стали, которые собраны из отрезков разной длины и соединены между собой с помощью муфт. По своей форме эти трубы напоминают своеобразное копье, поэтому данный метод иногда называют «скважинной иглой». Герметичность соединений с резьбой имеет огромное значение и достигается с помощью силикона или сантехнического льна.
Сначала бурение ведется до начала обводненного слоя грунта. Скважина должна иметь диаметр от 50 до 80 миллиметров в сухой земле. Далее устанавливается фильтр, а обсадные колонны забиваются в скважину.
На дне такой трубы располагается фильтр, представляющий собой простую трубу аналогичного диаметра, в которой множество отверстий с диаметром от 5 до 8 миллиметров. Снаружи она защищена фильтровой сеткой, которая позволяет проходить влаге и задерживает крупные взвеси и песок. Сквозь подобную сетку могут проходить только мелкие частицы самих маленьких размеров.
Для установки такой трубы в грунт на глубину от 8 до 12 метров используют разнообразное оборудование, включая штанги и бабки.
Бурение с промывкой скважины
Промывка скважины выполняется для двух основных целей: для охлаждения бурового оборудования и вывода частиц разрушенного грунта. В качестве жидкости может использоваться как техническая вода, так и специальные буровые растворы.
В большинстве случаев растворы применяются при большом углублении выработки, когда могут встретиться различные природные пласты: водные, газовые, нефтяные. Эти пласты должны оставаться нетронутыми, так как смешивание с ними может привести к загрязнению верхних водоносных слоев. Поэтому во время бурения вся скважина заполняется буровым раствором определенной плотности, который не позволит пластам проникнуть во время разработки.
При роторном бурении скважины используются как прямая, так и обратная подача промывочной жидкости.
При прямой подаче жидкость из резервуара подается насосом в бурильную колонну на долото через специальные отверстия. Жидкость попадает на дно забоя и, поднявшись вместе с разрушенным грунтом, проходит по кольцевому каналу — межстенному пространству между колонной и стенками скважины — до очистительного комплекса.
При обратной подаче вода самотеком поступает в скважину и выбрасывается наверх по бурильной трубе под действием сильного обратного давления, создаваемого насосом или ерлифтом.
Второй метод считается более эффективным по ряду причин:
- Высокая скорость бурения. В этом случае насос откачивает жидкость из забоя, а не подводит её;
- Скважина лучше очищается, так как насос высасывает вместе с жидкостью весь шлам;
- В качестве жидкости можно использовать обычную воду без каких-либо добавок для облегчения процесса размыва частиц грунта.
К недостаткам обратной подачи относится высокая стоимость необходимого оборудования.
Какое оборудование потребуется для бурения водной скважины
Создать скважину на воду можно различными способами. Окончательный выбор метода определяется несколькими факторами:
- необходимой глубиной;
- диаметром скважины;
- назначением скважины;
- свойствами грунта, который будет обрабатываться в процессе бурения.
Однако независимо от выбранного метода, для организации скважины на воду потребуется как основное буровое оборудование, так и дополнительный инструмент.
Основные составные части любого бурового станка включают в себя:
- механизм подъема и спуска бурильной колонны;
- рабочий орган – бур с наконечником, который будет различаться в зависимости от выбранного метода бурения;
- лебедка и система талей, ответственные за опускание обсадных и буровых труб;
- некоторые установки могут быть оснащены циркуляционной системой для приготовления буровых растворов.
К дополнительному инструменту относятся насосы, вертлюги, буровые шланги, соединительные элементы для обсадных труб, детали для обустройства оголовка скважины, а также силовые приводы и моторы.
