Основной способ колонкового бурения

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

Способы бурения скважин: колонковое, роторное, шнековое

Устройство водозаборной скважины сопряжено с применением различных методов бурения. Рыхлые и насыщенные водой грунты извлекают с помощью желонки. Для проходки по глинистым и скальным породам используют способы бурения скважин, основанные на вращательном принципе.

В работе задействованы механизмы, позволяющие производить разработку грунтов различных типов и на разную глубину.

• Виды буровых способов
• Специфика колонкового бурения
  • Используемое оборудование и инструменты
  • Технология колонкового бурения
  • Веские достоинства и недостатки
• Особенности шнекового бурения
  • Задействованное оборудование и инструменты
  • Технология шнекового бурения
  • Плюсы и минусы применения шнека
• Характеристика роторного бурения
  • Применяемое оборудование и инструменты
  • Своеобразие роторной технологии
  • Достоинства и недостатки роторного бурения
• Какой способ бурения выбрать?
• Выводы и полезное видео по теме

Виды буровых способов

Ранее бурение водоносных скважин для личного пользования осуществлялось в основном ручным способом. Это было трудоёмкий и длительный процесс, поэтому не каждый владелец участка или дачи мог похвастаться наличием собственного источника водоснабжения. Постепенно механизированное бурение вытеснило ручные методы благодаря значительному облегчению и ускорению процесса.

Сегодня практически все водоносные скважины бурятся механизированным способом, который основан на разрушении грунта, подаче его на поверхность одним из двух способов: сухим, когда отработанный грунт убирается из скважины при помощи механизмов и гидравлическим, когда он вымывается водой, поданной под напором или самотёком.

Различают три основных способа механического бурения:

• Вращательный (грунт разрабатывается вращением).
• Ударный (бурснаряд разрушает грунт ударами).
• Вибрационный (грунт разрабатывается высокочастотными колебаниями).

Вращательный способ считается самым высокопроизводительным, в 3-5 раз превышающий по эффективности ударный и в 5-10 вибрационный. Кроме этого вращательный способ самый недорогой и доступный, его нередко применяют в качестве основного метода ручного бурения.

В свою очередь вращательный способ бурения, широко применяемый для сооружения скважин на воду, подразделяется на три основных вида бурения:

Каждый вид вращательного бурения имеет свои особенности и выполняется специально предназначенным для этого оборудованием. Рассмотрим эти виды бурения более подробно, определим, в чём их различия и какой метод необходимо применять в каждом конкретном случае.

Специфика колонкового бурения

Колонковое бурение — механический вращательный метод, при осуществлении которого глинистый или плотный песчаный грунт извлекается в виде керна цилиндрической формы. Буровой снаряд для колонкового бурения представляет собой толстостенную металлическую трубу.

Вверху колонкового бурового снаряда расположено приспособление для присоединения штанг, необходимых для наращивания буровой колонны. Внизу — коронка, вид которой подбирается в зависимости от категории подлежащего бурению грунта.

При проходке колонковым методом грунт разрушается кольцеобразной коронкой. Внутренняя часть керна при этом сохраняется в не разрушенном виде. Для облегчения процесса бурения по твердым и полутвердым суглинкам, глинам, скальным породам на забой подается промывочная жидкость.

Шлам с забоя иногда удаляют промывкой — нагнетанием в ствол выработки большого количества воды. Чаще всего промывку заменяют продувкой сжатым воздухом, поставляемым компрессором внутрь трубы. Данный тип бурения позволяет бурить скважины глубиной до 1000 метров и диаметром от 8 до 20 см.

Механическое колонковое бурение производится буровыми установками типа ЗИФ, УГБ, УКБ, монтированных на автомобили типа КАМАЗ, КРаЗ, трелевочные тракторы и т.д. В варианте для ручного бурения колонковую трубу укорачивают, называют колоколом или стаканом. С последним, перевернутым вверх дном предметом обихода, конструктивно схожа колонковая труба.

Бурение колонковым способом используется в следующих случаях:

• геологоразведка полезных ископаемых;
• бурение разведочных скважин;
• устройство водоносных скважин любой глубины, в том числе безфильтровых скважин в скальных породах.

Для устройства частных скважин на воду в некоторых случаях колонковый способ используется перед тем, как начать шнековое или роторное бурение, выполняя одновременно разведывательную и подготовительную роль.

В устройстве частных скважин колонковое бурение используется в комплексе с ударно-канатным. Глинистые слои проходят колонковой трубой. Пески неплотного сложения, гравий и галечник с песчаным заполнителем, которые не задерживаются в колонковой трубе, извлекают из ствола желонированием.

По эффективности колонковый метод несколько уступает шнековому способу бурения водозаборных скважин. Шнеком бурят быстрее, но он не позволяет полностью освободить ствол от пробуренной породы. Их редко используют в паре. А уж если приведется, то шнеком проходят первые несколько метров.

Используемое оборудование и инструменты

Для колонкового бурения используются следующие инструменты:

• буровые коронки из алмазного или другого твёрдосплавного материала (сталь, вольфрам, победит);
• колонковая труба;
• труба для отвода шлама;
• штанги, требующиеся для наращивания буровой колонны;
• муфтовые соединения, переходники между трубами, промывочный сальник.

При бурении в скальных породах буровая коронка быстро изнашивается и подлежит замене. Материал коронки — дорогостоящий, выдерживающий колоссальные нагрузки, наибольшее распространение получили алмазные буровые варианты. Все используемые в процессе бурения инструменты должны соответствовать соосности, т.е. располагаться ровно относительно оси бурения.

Технология колонкового бурения

Главная особенность колонкового бурения — прохождение породы с полным её сохранением в колонковой колонне. Т.е., при работе бурильного оборудования коронка по кольцу разрушает грунт, который по мере заглубления проталкивается в колонковую трубу и удерживается в ней за счет собственной плотности. При извлечении наполненной трубы из ствола выработки, ее освобождают от керна путем простукивания кувалдой.

Поэтапный процесс колонкового бурения выглядит следующим образом:

• бурильную коронку соединяют с колонковой трубой;
• колонковая труба соединяется со штангами, которые наращиваются по мере углубления;
• верхняя штанга закрепляется в буровом станке;
• бурильный станок вращает буровую колонну и постепенно «ввинчивает» ее в грунт;
• колонковая труба постепенно наполняется керном — заклинившим в ее полости грунтом;
• после проходки 50 — 70 см буровая колонна извлекается на поверхность, штанги по очереди отсоединяются до тех пор, пока не извлечется колонковая труба;
• трубу освобождают от выбуренной породы;
• опорожненный снаряд снова опускают на забой, наращивая буровую колонну штангами.

Действия производятся в описанном порядке до тех пор, пока скважина не вскроет водоносный горизонт и не заглубится на 50 см в нижележащую водонепроницаемую породу.

Если фиксация верхнего водоносного горизонта не является целью проходки, то верхние слои можно бурить с промывкой. В этом случае насос продаёт промывочный раствор через шланг внутрь труб. Затем раствор выносит выработанный грунт на поверхность.

Веские достоинства и недостатки

В сравнении с ударно-канатным и роторным способом механического бурения колонковое производится довольно быстро, значительно сокращая время проведения работ. Главный его недостаток — невозможность подъема рыхлых грунтов и насыщенных водой галечников. Медленно продвигается по скальным породам, для проходки валунов требуется долото.

К достоинствам колонкового бурения относят:

• высокую производительность и возможность бурить скважины глубиной свыше 100 м;
• сокращение нагрузок на бурильное оборудование за счёт разрушения глинистой породы, сравнимым с ее вырезанием;
• возможность применения мобильной буровой установки компактных габаритов.

Колонковое бурение — один из самых скоростных методов устройства водозаборных выработок. Скважину на песок с его применением можно пройти за один рабочий день.

Особенности шнекового бурения

Этот тип бурения сегодня наиболее часто используется при устройстве водоносных скважин в частных хозяйствах. Особенностью шнекового бурения является то, что разрабатываемая порода полностью удаляется из створа скважины без привлечения дополнительного оборудования. Метод напоминает ввинчивание, позволяет бурить на глубину и одновременно удалять ненужный грунт.

Используемый для бурения инструмент называется шнек. Представляет собой металлический стержень с лопастями. Завинчиваясь в грунт, шнек разрушает породу, которая задерживается на его лопастях. Из-за специфики конструкции шнеком невозможно полностью освободить забой от отвала. Поэтому его в основном применяют для проходки верхних слоев.

Бурение с использованием шнека не требует больших усилий и финансовых затрат, поэтому сфера применения данного способа достаточна широка: геологоразведочные скважины, прокладка коммуникаций, устройство буронабивных скважин и частично бурение на воду. Его сейчас активно применяют для устройства абиссинских колодцев, чтобы не забивать полностью скважину-иглу в плотный грунт, а слегка облегчить процесс погружения ствола в заранее разрушенную породу.

Метод подходит для разработки водоносных скважин глубиной до 30 м на мягких и рыхлых грунтах и до 20 м на средне-плотных. После проходки шнеком и установки обсадки, ствол скважины обязательно очищается желонкой от неизвлеченной породы.

Шнек категорически не подходит для работы в скальных породах! Его используют для частичной проходки скважин до 120 м, при этом данный метод комбинируется с другими: роторным, ударно-канатным, колонковым.

Задействованное оборудование и инструменты

Шнековое бурение производится буровой установкой, главным элементом которой является бурильный инструмент винтового типа, выполненный из высокопрочного металла. Буровую колонну по мере заглубления наращивают шнеками равного размера. В комплекте иногда применяются лопастные долота, необходимые для прохождения рыхлых пород, а также долота с круглыми или конусообразными головками, используемые для разработки твёрдых пород.

Большинство современных бурильных установок оборудованы полыми снарядами, оснащёнными реверсивными замками, которые не допускают движение инструмента в обратную сторону. Режущие части шнека в процессе бурения охлаждаются за счёт разрабатываемого грунта, а разработанная порода поднимается вверх по спиралям. Это позволяет проводить бурения без остановок, значительно уменьшая временные и энергетические затраты на создание водоносной скважины.

Технология шнекового бурения

После выполнения проходки, глубина которой составляет 1,5 — 2,0 м, шнек извлекается, и в скважину устанавливаются обсадные трубы. Диаметр водозаборной скважины, пробуренной при помощи шнека, составляет 50 — 200 мм и зависит от размера используемого инструмента.

Обрушение стенок скважины предотвращают обсадные трубы. Особенно это важно для рыхлых несвязных грунтов, поэтому у бурильщиков существует правило: использовать при проходке супесей и суглинков шнеки с расположением лопастей под углом 30 — 60º, а при бурении песков плотного сложения инструмент с лопастями под углом 90º. При меньшем наклоне витков шнековой спирали больше несвязного отвала выносит на поверхность шнек.

Плюсы и минусы применения шнека

Шнековый метод бурения позволяет произвести устройство скважины максимально быстро, при условии, что размер шнека и угол наклона долота были подобраны правильно. К достоинствам шнекового бурения относят:

• грунт поднимается на поверхность сразу в процессе бурения;
• высокая скорость углубления в грунт без технологических остановок;
• нет необходимости делать промывку ствола скважины;
• компактной шнековой установкой или ручным шнеком можно бурить внутри дома (в подвале);
• нет необходимости поднимать на поверхность первое звено и разбирать/собирать буровую колонну как при колонковом методе.

Главным недостатком шнекового бурения можно считать невозможность работы на сыпучих и очень твёрдых грунтах, но в то же время шнек — идеальный инструмент для бурения в суглинистых, смешанных (глина и супесь) и мягких глинистых грунтах. Ещё один недостаток, ограничивающий применение шнека для устройства водоносных скважин — необходимость применять ударно-канатный способ для очистки ствола от отваленной породы.

Характеристика роторного бурения

Роторное бурение — метод вращательного бурения, при котором разрушение грунта осуществляется при помощи долота, приводимого в движение в забое скважины от ротора буровой установки. Ротор вращается от двигателя автомобиля или отдельно установленного электродвигателя посредством приводного вала. Разработанный грунт вымывается из шахты скважины методом прямой или обратной промывки. Промывочный раствор может подаваться как самотёком, так и насосной станцией.

Роторное бурение применяется для разработки скальных и полускальных грунтов при устройстве глубоких скважин до 150 м. Роторная буровая установка с правильно подобранным долотом и утяжеленными бурильными трубами отлично справляется со скальными породами.

Специалисты-буровики рекомендуют использовать этот метод бурения при соблюдении следующих условий:

1. Гидрогеологический разрез участка изучен достаточно хорошо. Известно, что бурить предстоит скальные породы. Известен уровень залегания водоносной зоны в коренных породах.
2. Подземная вода обладает характерным для артезианских скважин напором
3. Имеется возможность бесперебойной доставки технической воды для промывки скважины.

В южных районах роторное бурение можно производить круглый год, а в северном климате применение этого способа ограничено из-за возможности замерзания промывочной жидкости.

Применяемое оборудование и инструменты

Роторное бурение водоносных скважин осуществляется с применением рамной или решётчатой вышки, на которой расположено подъёмное оборудование и остальные элементы буровой установки. Вышка даёт возможность поднимать и опускать в скважину бурильные колонны.

В состав буровой установки роторного типа входит:

• рамная или решётчатая вышка;
• двигатель с приводом;
• ротор и бурильная колонна;
• насосное оборудование и система очистки промывочной жидкости;
• подъёмное оборудование, напорная магистраль, вертлюг, сальники и т.д.

В самоходных установках в качестве двигателя используется ДВС автомобиля, на базе которого размещен буровой комплекс. В данном случае мощностью двигателя регулируются обороты бурового инструмента.

Ротор при помощи зубчатого устройства передаёт вращение на ведущую трубу, которая в свою очередь сообщает его на основной бурильный инструмент — долото. Долото может иметь различную форму и изготавливается из высокопрочных материалов: композиты, сталь с алмазным напылением и др. Для каждого типа грунта подбирается особый размер и форма долота, обеспечивая тем самым высокую эффективность и скорость проходки.

Источник