Бурение скважины колонковым способом

Колонковое бурение скважин: краткое описание технологии, методов, способов и особенностей

Технология колонкового бурения скважин – самая популярная в геологической разведке и при добыче водного ресурса. Она имеет массу преимуществ, оптимально подходит для развертывания установки на сложнодоступных участках. Метод признается одним из самых экономичных и продуктивных по объему гидродобычи на единицу времени. Из-за особенного способа проведения работ образуется горная выработка с жесткими краями. Они выдерживают очень высокую нагрузку, а само отверстие может углубляться на расстояние до километра. Поэтому технологию применяют как в производственных целях, крупных масштабах, так и при частном решении задач, например, для создания индивидуальной точки водозабора.

Колонковое бурение скважин: что это такое

Это процедура, при которой буровая установка осуществляет вращательные движения с целью разрушить горные породы. При этом разрушение происходит не по всей площади, а по кругу, оставляя в центре керн, то есть нетронутый участок цилиндрической формы. Буровой насос нагнетает мощный поток воды, которым производится вымывание разрушаемой породы. Установки включают множество механизмов, в том числе для спуска и подъема инструмента, его вращения. В зависимости от типа горных пород (прочности и других механических характеристик) выбирается оснастка. В роли режущих кромок выступают долота (коронки). Они бывают разных форм.

Технология настолько успешна, что она нашла множество сфер применения. От гидродобычи до разведки полезных ископаемых.

Характеристика и краткое описание колонкового бурения скважин

Керном называется столбик из искомого материала (горная порода, например) цилиндрической формы. Он с использованием шнекового подъемника поднимается из глубин на поверхность, когда цель всего процесса – разведывание грунтовых слоев. Такая процедура делает возможным подробное составление геологического разреза.

Используемое оборудование позволяет углубляться внутрь на расстояние до 1000 м. Оно оснащено инструментами, способными пробить любую породу. Вторая задача техники – регулярная поставка керновых проб наверх.

Метод настолько эффективен, что его использовали в Заполярье при освоении Кольской сверхглубокого колодца (12 262 м в глубину) для решения научных задач. Она была занесена в книгу рекордов Гиннеса как самая глубокая.

Не менее распространена технология при открытии водных горизонтов на глубине. Добыча воды кристальной чистоты – одна из приоритетных задач.

Сферы использования колонкового способа бурения скважин

В первую очередь метод был создан для исследовательско-научных целей. В рамках геологической разведки можно с высокой точностью определить, на каком расстоянии от поверхности располагаются те или иные грунтовые слои (их кровля и подошва, т.е.верхняя и нижняя границы). Не только твердые породы, но и зеркало подземных вод определяется по такой технологии.

Отрасли, где находит применение методика:

• Гидродобыча. Это как частное водоснабжение, так и крупная водоподготовка, в промышленных масштабах. Такой водозабор очень эффективен, поскольку бурение происходит на большую глубину. Это позволяет снабдить чистым, питьевым водным ресурсом целый квартал, небольшой дачный поселок. При этом снаряд очень хорошо поднимает вверх любой тип почвы, кроме водонасыщенных рыхлых материалов. Но справиться с ними (это песок, глина, некоторые другие примеси) легко можно с помощью установки фильтра грубой очистки. Фильтрующее оборудование промышленного или частного масштаба выгодно заказать в нашей компании «Вода Отечества».
• Геологическая разведка. Она в основном применяется в горнодобывающей промышленности. В чем особенность метода? Дело в особом вращательном инструменте, который фактически напоминает трубку. С его помощью прорезывается цилиндр, а внутри керн остается целостным. Так можно исследовать не только химические характеристики почвы, но и механические, физические качества грунтовых слоев. То есть структура в ходе добычи материала не нарушается.
• Подготовка к строительству. В ходе инженерных изысканий производится георазведка на строительном участке. Колонковый метод бурения позволяет определить сразу несколько показателей – уровень грунтовых вод, пробы почвы и некоторые другие факторы. Конечно, в таком случае глубина погружения инструментов не очень большая.
• Исследовательская деятельность. Отличным примером здесь является Кольская сверхглубокая скважина, целью которой было определение структуры земной коры, а также оболочки ядра Земли. То есть предприятие имело исключительно научные задачи.
• Строительство. Поскольку отверстия получаются ровные, цилиндрические, то в подготовленные ямки очень удобно устанавливать сваи для фундамента, можно произвести монтаж железобетонного основания. Кроме того, достаточно острые и крепкие инструменты позволяют пробурить насквозь даже бетонные блоки или кирпичную кладку.

Бурение с помощью колонковой трубы позволяет достать образец грунта в целостной форме, а также определить точную глубину пролегания пород. Таким образом, технология применяется в большом количестве сфер. В частном использовании основная задача процесса – гидродобыча, создание индивидуальной точки забора и водоподготовки на участке.

MBFT-75 Мембрана на 75GPD

SF-mix Clack до 0,8 м3/ч

SF-mix Runxin до 0,8 м3/ч

Суть технологии

Колонковое бурение предназначено для горной выработки. В зависимости от того, с каким природным материалом приходится работать, есть две применяемые методики:

• С подачей жидкости. Буровой раствор обязательно подают в зону резания при работе со скальными, твердыми пластами. Если воды не будет, то процесс сильно замедлится, а само режущее оборудование в скором времени выйдет из строя, затупится. Промывка не только ускоряет процедуру, но и позволяет очень эффективно освободить рабочую зону от остатков горной породы. Особенно это важно, когда планируется сделать очень глубокую скважину. Также технология применяется, когда на участке очень рыхлые почвы, а взятие керна (целостного пласта) не является приоритетным. В таком случае забой омывается водой, а ствол выработки очищается от частичек грунта.
• На сухую. Способ можно назвать более дорогостоящим, однако, он предпочтительнее, когда выработка производится на несвязных (рассыпчатых) грунтах, а также в том случае, если они пропитаны достаточно большим количеством влаги. В том числе, это супесь, глина, суглинок различной пластичности.

Принцип алмазного колонкового бурения

Один из основополагающих элементов установки – труба. Она будет того диаметра, в зависимости от необходимого размера кернового стержня. На ее окончании располагается коронка – это режущий инструмент. Деталь на подошве необходима для разрешения грунта. Резец является сменным, он прикручивается на время, за одну крупную выработку придется поменять ее несколько раз. Замена осуществляется очень простым способом – на винтовую резьбу.

Если предстоит разрезать скалистые или иные твердые породы, то предпочтительно использование алмазной коронки.

Именно оснастка с напылением из алмазов используется при водозаборе на больших глубинах. Поскольку для того, чтобы добраться до кристально чистого водного ресурса, понадобится прорубить достаточно глубокий тоннель через известняк и другие слои. Ведь влага конденсируется очень глубоко, в разломах коренных пород.

В ходе работы коронка вращается очень быстро – количество оборотов регулируется пультом, режим выбирают в зависимости от того, насколько прочный предстоит прорезать грунт. Если вращения будут чрезмерно стремительными, при соприкосновении с очень твердыми материалами резец может затупиться или вовсе сломаться. Центральная часть цилиндра попадает внутрь трубы. Чтобы извлечь собранный там керн, производится разборка колонны с извлечением штанги. Затем используется мощная струя воздуха (вывод можно ускорить, если параллельно простукивать участок кувалдой). После этого очищенный инструмент снова погружают в выполненное отверстие.

Такие буры признаны наиболее эффективными, их производительность значительно выше, чем у матричных и шарошечных долот. Это объясняется высокой скоростью вращения инструмента – сил затрачивается намного меньше, как и времени. И еще одно немаловажное преимущество – нет необходимости промывать и прочищать затем забой от разрушенных пород, поскольку они очень удобно вынимаются в виде керна.

Станки и установки колонкового бурения

Видов аппаратов несколько, все они зависят от диаметра и глубины желаемого отверстия, а также от назначения скважины и типа грунта, где проводятся геологические работы. Технологически устройства не отличаются друг от друга, однако, сильно могут варьироваться размеры.

Например, для разведывательных целей обычно применяются достаточно компактные установки, которые монтируются на разном транспорте – тракторах, грузовиках. Некоторые гусеничные виды тягачей предполагают возможность выработки на участках без автомобильной дороги – подъехать к ним можно только на таких машинах. В России наиболее часто аппаратуру ставят на КАМАЗ, МАЗ, Урал. Иногда и на более легкий автотранспорт, в тех случаях, когда предстоит несложная работа, например, на строительной площадке.

Когда нужны небольшие лунки, а это иногда требуется при ландшафтном дизайне (установить лавочку), частном строительстве, при монтаже ЛЭП-опор, тогда применяются ручные буры, которые работают по тому же принципу, но менее автоматизированы. Например, остатки грунта нужно доставать вручную. Длина и диаметр получаемых отверстий, конечно, ограничены.

Источник

В чем преимущество технологий колонкового бурения скважин?

Колонковое бурение скважин представляет собой весьма популярный способ проделывания скважинных отверстий. В отличие от стандартных полнопроходных долот (чаще всего используют долот PDC), коронками пользуются более точечно. Они не разрушают породу по всему периметру, а вырезают ее с помощью давления по радиусу рабочего инструмента.

Алмазная коронка для колонкового бурения скважин больших габаритов

Такая технология дает бурильщикам много интересных преимуществ, о которых сейчас и пойдет речь в данной статье.

1 Область применения и особенности

Данный способ характеризуется тем, что грунт разрушается по кругу, очерчивая контуры диаметра будущей скважины. Когда осуществляется бурение колонками, внутренняя часть отверстия остаётся целой. Этот керн в последующем извлекается на поверхность.

Давление на грунт идет с помощью специальных коронок — пустотелых цилиндров со специальными резцами на одной из сторон. Эти резцы и выполняют основную работу по бурению. Они вгрызаются в породу, в то время как пустотелая часть попросту заполняется грунтом, что отсекается от общей матрицы.

Стоит заметить, что с помощью колонкового бурения можно разрабатывать не только горные породы, но и выполнять бурение на строительстве. Например, алмазные способы бурения коронками применяются для создания отверстий в монолитных железобетонных конструкциях. Более того, этот способ на стройке считается самым приоритетным.

Станок колонкового бурения устанавливается там, где необходимо проведение разведывательных работ. Он предназначен для получения цельных пород.

Такой способ идеален для проведения анализа структуры и свойства почвы, так как исследователям необходимо всего лишь извлечь грунтовый цилиндр из рабочей колонки.

Рассматриваемый способ обладает следующими особенностями:

• Колонки для скважины способны извлекать из отверстия керны – целую часть грунта.
• Буровые установки колонкового бурения рассчитаны на работу под различными углами к поверхности.
• Коронки колонкового бурения способны обрабатывать грунты различной степени твердости.
• Буровые станки колонкового бурения проделывают глубокие скважины, которые отличаются относительно небольшим диаметром.
• Станки колонкового бурения имеют относительно небольшой вес, что обусловливает их маневренность.

Схематические изображение стандартной коронки для бурения скважин

1.1 Принцип и технология работы

Технология колонкового бурения применяется для исследовательских работ. Для этих целей подойдёт классические автомобильные шасси на которое устанавливают бурильную установку, но на сложных рельефах могут использоваться и специальные машины. Например, устройства на гусеничном приводе или даже специальные системы, которые используют исключительно для бурения.

Станок колонкового бурения работает на высоких оборотах с момента запуска и до завершения технологического процесса. Это обусловливает тот факт, что колонки для скважины быстро изнашиваются под воздействием высоких нагрузок. Впрочем, скорость вращения можно регулировать, например, если надо пройти участок с мягкими породами, что склонны к осыпанию.

Для продления её жизнеспособности применяются специальные устройства, которые снижают вибрационные действия. Колонковый способ предполагает обязательную процедуру промывки. Буровой станок колонкового бурения использует для этих целей воду или специальные растворы, которые способствуют защите скважины от разрушений и обвалов.

Алмазное устройство осуществляет бурение только по краю. Внутренняя порода заполняет ствол шнека и поднимается на поверхность. Колонковый способ предполагает, что все используемые в работе инструменты соответствуют соосности формируемой скважины.

Буровой станок колонкового бурения способен работать с высокопрочными породами. Более того, в таких условиях он даже производительнее стандартных матричных или шарошечных долот, так как прилагает меньше усилий для разработки аккуратных отверстий в грунте.

Установки для колонкового бурения на автомобильном шасси

Для этих целей необходим специальный твердосплавный инструмент. Алмазное породоразрушающее устройство подлежит замене или восстановлению в случае потери своих физических кондиций. Новую коронку перед использованием следует обработать бурильным долотом. В некоторых случаях достаточно просто заменить кольцо с резцами на коронке.

После того, как механизмы бурового станка колонкового бурения выполнили свою миссию, в работу включаются шнековые машины, которые завершают процесс бурения скважины.
к меню ↑

1.2 Оборудование для колонкового бурения

Как вы сами понимаете, в работе придется применять различного рода оборудование. Для данного вида работ применяют следующий инструмент:

• Колонковые снаряды, которые бывают стандартными и тонкостенными. Первые рассчитаны на вертикальные работы вниз и вверх по горизонту, а также для горизонтального бурения до 45 градусов. Вторые используются исключительно для горизонтального бурения.
• Алмазные коронки представляют собой породоразрушающий инструмент, которым оборудуется буровая установка для колонкового бурения. Эти устройства с одинаковым успехом справляются и с твердыми, и с рыхлыми породами.
• Штанги и стальные обсадные трубы, которые необходимы для формирования прочной внутренней поверхности скважины.
• Переходники применяются для стыкования резьбовых соединений, в том числе на буровых штангах, комплектующих, промывочных сальниках, вращателях.
• Промывочные сальники пробки, которые обеспечивают подъём керна из скважины.
• Колонковые долота служат для углубления скважинного отверстия.

2 Какие этапы и нюансы колонкового бурения?

Теперь рассмотрим непосредственно технологию бурения, так как в ней тоже есть свои нюансы. На них стоит обратить внимание в обязательном порядке.

Применение технологии колонкового бурения

Буровая установка для колонкового бурения в ходе работы выполняет следующие этапы:

• Подготовка поверхности, где будет производиться монтаж установки.
• Формирование ям в грунте в непосредственной близости от площадки для закачки промывочного раствора. После этих работ начинается процесс бурения скважин.
• Бурение, когда буровой снаряд вращается и проникает в почву. Параллельно с этим процессом в отверстие подаётся промывочная жидкость: вода или специальный раствор.
• Наполнение трубы керном. Периодически шнек необходимо извлекать на поверхность, по керну можно без труда определить глубину сформированного отверстия.

Первые два этапа выполняются скорее рабочим персоналом. Последние же два — это уже использование непосредственно бурильной системы колонковой разработки.

При работе необходимо обращать внимание на следующие нюансы:

• Бурение скважин для воды следует производить с промывкой. Воду применяют там, где присутствует устойчивый грунт. Когда обрабатывается песчаная порода, то для промывки применяется специальный раствор, который укрепляет скважину. Для этих целей подходит жидкое стекло или глинистая масса.
• Вместо промывочного раствора может применяться воздух, который поступает в скважину по колонковой трубе.
• Когда работа ведётся на неустойчивом грунте, то применение промывочных жидкостей неэффективно. Укрепление скважин производят обсадными трубами.
• Частота вращения бурового снаряда регулируется в зависимости от прочности грунта.
• Если работы ведутся в слоях твердых пород, то установка обсадных труб производится на заключительном этапе бурения.

Источник