Колонковое бурение скважин: технология и нюансы проведения работ

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.

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.

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.

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.

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.

Технологические особенности способа

Колонковый способ бурения имеет ряд особенностей:

• Мастера могут обрабатывать даже сыпучие грунты, множество острых коронок позволяет мастерам изменять пласты породы любого уровня твердости.
• Отверстие рабочей скважины несложно выравнивать, если ее диаметр находится в диапазоне 1 метра.
• Прочное, современное буровое оборудование мастера часто на территории извилистого ландшафта.
• Колонковые трубы, длиной 0.4–6 метра, используют и повторно по прямому назначению.
• Буровую коронку время от времени нужно менять, она становится тупой.
• Перед тем как запустить очередную алмазную коронку, дно скважин обрабатывают бурильным долотом, чтобы продлить срок службы коронки.
• Площадка под буровую установку призвана быть строго горизонтальной.

Оборудование для колонкового промышленного и разведочного бурения часто устанавливают на шасси тяжелых автомобилей МАЗ, КАМАЗ и Урал, тракторов или гусеничной спецтехники (вездеходов) при варианте сложных рельефов местности.

Что касается вопросов водоснабжения, есть немало легкого мобильного оборудования, пригодного для бурения скважин для воды.

Мобильная буровая установка для бурения скважин

Колонковое бурение скважин: технология и оборудование

Существует два способа применения подобного бура: работа на сухую и с промывкой.Поскольку не всегда есть возможность обеспечить достаточный объем воды, очень часто рабочий процесс осуществляется без применения жидкости. В этом случае углубление происходит не очень быстро. Кроме того, вероятность слома коронки является значительной, поэтому сухоебурениесчитается довольно затратным мероприятием.

Извлечение породы с использованием промывки– более надежный метод, который, к тому же, позволяет углубляться в грунт гораздо быстрее. Его часто используют, когда необходимо пробурить скважину большой глубины, затратив на это минимально возможное время.

Схема колонкового бурения скважиныс применением промывочного раствора

Принцип работы

Рабочий инструмент вращается на высоких оборотах, разрезая с помощью коронки горную породу. При этом частоту вращения можно регулировать: для мягкого грунта устанавливаются сравнительно небольшие обороты, для твердых пород – более высокие.

Посколькукоронка разрезает грунт только по краю,образовавшаяся в процессе внутренняя часть должна извлекаться на поверхность. Для этого существует два способа:

1. Бур поднимается на поверхность, после чего из него извлекается керн.
2. Используется специальная труба-подъемник, по которой порода транспортируется наверх.

Бурильный станок и инструмент

Бурильноеоборудование для колонкового бурения скважин, как правило, устанавливают на шасси классических автомобилей – Урал, КАМАЗ, МАЗ. Хотя дляработы в условиях сложных рельефов может использоваться гусеничная спецтехника.

Бурильные установки для реализации колонковой технологии

Для работ данного вида применяется такой инструмент:

• Стандартные или тонкостенные снаряды (трубы). Первые могут использоваться как для вертикального, так и для горизонтального (углового) сверления. Вторые применяются исключительно для горизонтальных работ.
• Породоразрушающий элемент – коронка. Наиболее универсальными считаются алмазные резцы, которые одинаково успешно разрушают твердый и рыхлый грунт.
• Штанги для наращивания глубины скважинного отверстия.
• Промывочные сальники, обеспечивающие подачу промывочного раствора и отвод потока жидкости с керном.
• Переходники для стыковки буровых штанг, промывочных сальников, вращателей.
• Долота, которые применяются для увеличения глубины скважины в особо сложных местах.

Бурильные трубы для приема керна и поддержания правильного направления скважинного отверстия

Этапы бурения

Технология колонкового бурения скважин реализуется следующим образом:

1. Подготавливается поверхность, которая очищается от мусора и посторонних предметов.
2. На небольшом расстоянииот планируемого отверстия роется яма глубиной около 2 м для промывочной жидкости.
3. В земле пробивается небольшое отверстие для размещения бура.
4. По мере углубления прохода в трубе скапливается грунт. При полном заполнении ееподнимают на поверхность.
5. Порода из трубы извлекается с помощью молотка. Удары необходимо наносить методично и не слишком сильно, чтобы не повредить металл.
6. После извлечения породы бур опускается обратно в скважину. Процесс повторяется до момента достижения необходимой глубины отверстия.

По составу извлеченного керна можно судить о структуре грунта на разной глубине

Плюсы и минусы колонкового бурения

К положительным моментам процесса относятся:

• Точечное действие коронки, вырезающей породу по своему радиусу, в отличие от роторного долота, оное во время прохода разрушает грунт.
• Высокая производительность способа.
• Возможность посредством колонкового бурения скважин изучить подземное строение грунтов в зоне выполнения работ.
• Применяя этот метод, проходят восстающие, многозабойные, наклонные скважины; в любых пластах, в том числе базальтовых и гранитных.
• Частота вращения бура регулируется: на мягком грунте довольно небольших оборотов, твердые породы требуют более высоких.
• Сравнительно высокая скорость проходки, снижающая себестоимость объекта, при пониженной энергоемкости процесса.

Как в любом процессе, колонковое бурение имеет некоторые недостатки:

• В тех процессах, когда применяют глинистый раствор, есть риск заиливания водоносного слоя продуктами промывки.
• Быстрое изнашивание инструмента.
• Сухое бурение – слишком затратное.

Во время работы с глубинными пластами эти факторы остаются решающими. Стоимость оборудования вместе с ценой грунтовых работ составляет солидную цифру.

Процесс колонкового бурения проходит в несколько этапов, оборудование подлежит регулярному осмотру на предмет повреждений и сколов

Мастера проходят регулярную учебу по технике безопасности, такая мера предосторожности существенно снижает процент повреждений

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 и вибрационном принципе.

В работе задействованы механизмы, позволяющие производить разработку грунтов различных типов и на разную глубину. Мы расскажем, как подобрать оптимальную технологию бурения, позволяющую быстро и безупречно пройти выработку для устройства водозабора.

Для наглядного представления предложенной нами информации текст дополнен полезными схемами, фото-подборками, видео-руководствами.

Ранее бурение водоносных скважин для личного пользования осуществлялось в основном . 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.

Механические вращательные способы бурения скважин на воду пришли на смену малоэффективным ручным методам

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

• колонковое;
• шнековое;
• ударно-канатное;
• роторное.

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.

Что это такое?

Характерной особенностью данного способа является извлекаемый на поверхность керн. Он представляет собой столб материала цилиндрической формы, который отбирается на пробу и транспортируется на поверхность при помощи подъемника шнекового типа. Пласты видны в разрезе, чего не может дать ни один известный способ бурения на сегодняшний день. Например, именно таким методом была пробурена Кольская сверхглубокая скважина. Кроме того, в процессе применения при пробуривании скважин на воду его надежность составляет 100%.

Если говорить о технологических особенностях колонкового бурения, то к ним относят несколько факторов.

• Для такого типа бурения подходят практически все грунты. То есть не только на плотном, но и на сыпучем грунте можно использовать данный метод. А наличие довольно большого количества буровых коронок дает возможность использовать его как в трудноотбираемых породах, так и применять для неосложненных условий.
• Скважинный ствол в результате получается максимально ровным из-за особенностей механизма бурения. А современное оборудование позволяет осуществлять работы даже на местности, где присутствует неровный ландшафт.
• Трубы, которые формируют колонну, можно применять повторно, ведь их срок службы является неограниченным.
• Оборудование для бурения такого типа предполагает замену коронки время от времени, ведь по мере применения она приходит в негодность и становится тупой. Чтобы увеличить срок ее использования, перед применением новой насадки потребуется немного продолбить грунт, что позволит использовать буровые коронки дольше обычного.
• Чтобы такой тип бурения был идеальным, площадка, на которой располагается бур, должна быть в ровной плоскости горизонтального типа.

К недостаткам данного способа относятся:

• малое сечение бурения, из-за чего нельзя применять мощные погружные насосы;
• может возникать заклинивание керна, что увеличивает временные затраты на реализацию такой технологии.

А также существенным недостатком является быстрое затупление коронки из-за перегрева в работе с породами высокой твердости.

Детали

Основные требования к процессу заключаются в обеспечении стопроцентного выноса, скорости бурения и максимальном количестве метров за рейс.

«Наше оборудование позволяет собрать сколько угодно секций, в зависимости от тех требований, которые предъявляет геолог. Например, он предполагает, что на глубине от 1000 до 1020 м может быть нефть. Эти самые 20 метров можно пройти одной секцией, или двумя секциями за один рейс. А два рейса — это лишние средства. Максимально за рейс мы отбирали 56 метров.

Сейчас заказчики предъявляют новое требование — отбор на глубине 18 метров. Для этих целей был разработан КСК с 6-метровой секцией. Отбирая по три секции, можно получить эти 18 метров. Геологи увеличивают интервал отбора, одна из тенденций — отбирать за рейс 27, 36 метров. Причём разработки новых конструкций касаются не только длины, но и совершенствования внутренних частей», — поделился руководитель направления «Керн» ООО «ВНИИБТ-БИ» Степан Макаров.

Во время проходки нагрузку на долото устанавливают на поверхности, перед спуском в скважину. При низкой нагрузке отбор происходит излишне долго. А при слишком высокой может произойти прихват долота с преждевременным прекращением работ.

«Существует два основных требования. Первое связано с минимизацией рисков — допустим, использование специальных соединений, которые позволяют в случае прихвата бурильной колонны извлечь содержимое с керном, даже если сам снаряд остаётся в скважине. Второе требование касается технико-экономических показателей и имеет целью удешевление оказываемых услуг. К нему относится увеличение длины секции керноотборного снаряда — для того, чтобы за один рейс можно было отобрать наибольшее количество метров», — объяснил руководитель сектора по отбору керна АО «НПП «Бурсервис» Эдуард Зарипов.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

Проходка выработки для водозабора непрерывным вращением бурового снаряда заключается в разрушении горных пород на забое скважины долотом, присоединенным к колонне, вращающейся вокруг оси ствола ротором. Удаление шлама и охлаждение режущего инструмента осуществляются жидкостью или сжатым воздухом.

Порядок работы оборудования:

1. Вращатель приводится в действие двигателем электрическим или внутреннего сгорания.
2. Усилие от вала принимают ведущие вкладыши, расположенные по контуру верхней рабочей трубы, они же передают крутящий момент на колонну.
3. Давление разрушающего инструмента на забой передается по звеньям сборки. За счет массы конструкции создается нагрузка, достаточная для резания породы.
4. Буровой шлам удаляется из скважины промывочной жидкостью, которая одновременно охлаждает дробящий инструмент. Раствор после очистки используется вновь.

По мере износа долота его заменяют новым, для этого колонна по секциям извлекается из выработки. Длина свечи, вытаскиваемой за один прием, зависит от высоты подвески кронблока и составляет 25-50 м.

Схема роторного бурение скважины.

Технология проведения работ и оборудование

Известны два метода использования колонкового бура: работа с подачей жидкости на забой или на сухую, то есть без бурового раствора.

Бурение без использования бурового раствора применяется в случае, если несвязные грунты пропитаны естественной влагой в достаточном для проходки и извлечения количестве. Воду также не подают в ствол выработки при проходке по текучепластичным, мягкопластичным и тугоппластичным суглинкам/глинам, твердым и пластичным супесям.

Жидкость в обязательном порядке применяют при разбуривании скальных и полускальных горных пород. При отсутствии воды в этом случае углубление происходит значительно медленнее. Помимо этого существенно возрастает вероятность преждевременного выхода из строя коронки, в связи с чем бурение на сухую считается более затратным.

При бурении с буровым раствором скорость углубления существенно возрастает. Чаще всего данный способ применяется при бурении скважин значительной глубины. Это позволяет выполнить работы в кратчайшие сроки с минимальным риском повреждения коронки.

Еще воду под высоким напором подают на забой в процессе разработки скважины в рыхлых несвязных грунтах, если отбор керна не является задачей. Струей воды в данном случае просто промывают забой, освобождая ствол выработки от разрушенного грунта.

Принцип колонковой методики

Основным элементом при колонковом бурении является разрушающая режущая деталь, установленная на подошву колонковой трубы. Называют ее коронкой. Для проходки скальных пород применяют особые коронки, оснащенные алмазными резцами.

Именно алмазная коронка обеспечивает практически беспрепятственное прохождение бура на большую глубину при проходке водозаборных выработок на известняк. То есть при разработке скважин, заглубленных в коренные породы, в трещинах которых в результате многовековой конденсации формировались запасы наиболее чистой подземной воды.

Горная порода разрезается с помощью коронки, вращающейся на высоких оборотах. Скорость вращения бура можно регулировать в зависимости от плотности разрабатываемого грунта. Коронка “вырезает” грунт только по краю своеобразного цилиндра, центральная часть которого продавливается в колонковую трубу.

Для извлечения керна буровой снаряд поднимают на поверхность. Захваченный им грунт буквально выдувают из колонкового бура струей воздуха, поданной в верхнюю часть трубы. Процесс выдува ускоряют, простукивая снаряд кувалдой.

Колонковые буры при прохождении прочных пород обладают большей производительностью, чем матричные и шарошечные долота. Это обусловлено высокой скоростью вращения бура, благодаря чему снижается степень прикладываемых усилий на разработку.

Вдобавок, долота полностью разрушают породу, которую нужно будет “вычерпывать” желонкой или подавать воду с напором для промывки забоя. По сути придется дважды, а то и трижды проходить один и тот же отрезок: сначала разрушать, затем расчищать. Колонковая технология позволяет пройти и расчистить забой за один прием.

Станки и буровые установки

Выбор станка или буровой установки определяется назначением скважины и ее диаметром. Популярность способа колонкового бурения обуславливает производство буровых установок и станков во всем мире. Тяжелые трактора, грузовики и вездеходы подходят для установок, предназначенных для разведочного бурения.

Чаще всего бурильное оборудование монтируется на классические автомобили марок МАЗ, КАМАЗ, Урал. Однако есть варианты монтажа и на более легкую технику, которая применяется для бурения скважин на воду в частном строительстве.

При ручном вращательном бурении колонковую трубу заменяет его исторический предшественник – стакан. Этот снаряд представляет собой укороченный вариант колонковой трубы с заостренной кромкой на подошве. Стакан вручную или с использованием мотобура закручивают в землю и извлекают на поверхность все, что в него набилось.

Основные способы бурения скважин под воду

Бурение скважины своими руками вполне реально и доступно, если есть необходимые гидрогеологические сведения. Выбрав способ, как бурить скважину на воду, следует правильно определить место для ее установки. Рядом не должно быть канализации, сливных ям, других коммуникаций, которые могут загрязнять воду. Нужно также учитывать расстояние от жилья, куда планируется подавать воду.

Видов бурения вручную, с использованием различных механизмов, приспособлений, сложной техники достаточно много: от простейшего забивания до гидробурения.

Ударное бурение – самый недорогой и простой способ обеспечить участок питьевой водой

Способы сверления скважин на воду различаются в зависимости от того, по какой технологии разрушается порода. Существует бурение:

• ударное;
• вращательное;
• смешанного типа.

Шнековое бурение

Данный метод используется для устройства песчаных скважин. Обычно шнековое бурение скважин воды производится в относительно мягком, рыхлом или мерзлом грунте. Шнек – это труба, обвитая металлической лентой. Посредством вращения винтообразное устройство углубляется, выдавая на поверхность выбранный грунт. Часто при данной технологии за шнеком-винтом опускается обсадная труба, которая закупоривает стены и не дает земле осыпаться. Данный способ имеет ряд достоинств:

• хорошая скорость;
• нет необходимости промывки;
• уплотняются стенки скважины.

Если шнековое бурение ведется на участке с мягким или рыхлым грунтом, то лопасти долота следует располагать под углом от 30 до 60 градусов относительно забоя. Если же бурение скважин таким методом производится на более плотных отложениях, в основе которых гравий и галька, то лопасти должны находиться под углом в 90 градусов относительно забоя. Определять угол при ведении работ необходимо в зависимости от твердости почвы, с которой предполагается работать.

Из всех способов самостоятельного бурения наименее результативным можно считать шнековый

Глубина шнекового бурения скважины проводится на размер одной штанги, которая затем поднимается наверх и наращивается дополнительной штангой. После этого бурение может быть продолжено. Диаметр шнековой скважины составляет от 6 до 80 см.

Роторный способ бурения

Роторное бурение относится к вращательным способам: ротор, расположенный на поверхности, приводит в движение долото, опущенное в скважину. Долото дополнительно утяжеляют («нагружают») трубами, чтобы увеличить степень измельчения грунта.

Используя данную технологию, можно разрушить практически любую по твердости породу. Это дорогостоящий способ, применяется для артезианских скважин.

При роторном бурении обязательно осуществляется промывка. С помощью этого процесса быстро удаляется отработанная порода, при этом скважина остается чистой, что позволяет беспрепятственно вставлять обсадку.

Промывка бывает двух видов: прямая и обратная. Прямая промывка производится глинистым раствором, который быстро убирает отработанные породы и укрепляет стенки, так как глина исключает кольматацию пласта. Обратная промывка водой применяется для очищения от шлака затрубного пространства.

Роторный способ бурения скважин является одной из разновидностей вращательной технологии

Преимущества роторного бурения:

• мощность применяемого оборудования, позволяющая разбивать породы любой твердости;
• долговечность пробуренной скважины (прочность стенок);
• возможность выполнять бурение на ограниченной территории вследствие небольших размеров буровой установки.

Недостатками данной технологии можно считать сложность работы при минусовой температуре и невысокую скорость бурения.