Колонковое бурение скважин: технология и нюансы проведения работ

Технологии колонковое бурение скважин на выставке

Каждый год в Москве стартует выставка «Нефтегаз», посвященная отрасли химической промышленности и нефтедобычи. На ней будут представлены современные технологии бурения и улучшения работы для создания нефтяных и газовых скважин.

Мероприятие носит международный характер, оно позволяет существенно улучшить отрасль в стране.

На экспозициях будут представлены разработки ведущих инженеров из многих стран мира, они продемонстрируют новейшие технологии использования оборудования, в том числе технологии колонковое бурение скважин, а также само инновационное оборудование.

Как проходить плывун при бурении скважиныКак пройти плывун при бурении скважиныОборудование для бурения

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.

Трубы колонковые (обсадные)

Эти изделия производятся по специально разработанному ГОСТу 51682-2000. Их назначение – колонковое бурение при разведке на твердые полезные ископаемые, для добычи воды, разведочно – геологических изыскательских работах и в строительстве для получения лидерных скважин.

Одной из распространенных исполнений изделия колонковые трубы являются изделия с соединениями в виде ниппелей. Оба конца таких деталей имеют наружную резьбу, а сами трубы – внутреннюю.

Материалом для изготовления обоих изделий является сталь по группе прочности «К», по согласованию с потребителем применяется сталь марки 45.

Чтобы повысить устойчивость поверхности к износу, колонковые трубы по их концам на расстоянии порядка 500 мм подвергаются закалке с применением ТВЧ. Для таких изделий твердость поверхности должна быть не менее 40 единиц по Роквеллу. А чтобы исключить «заедание» резьбы, ниппеля обрабатываются способом карбонитрации. Твердость поверхности по резьбе не менее 50 Роквелла. Длина ниппелей стандартная и составляет 170 мм.

Колонковые трубы допускается использовать по прямому назначению повторно.

Длины изделий варьируются в пределах 0.4 – 6 метров в зависимости от применяемых технологий бурения и особенностей применяемого для этого оборудования. Длина труб оговаривается в договоре на их поставку.

Что такое прокачка скважины

Один из ключевых этапов, который напрямую влияет на эффективность работы скважины и качество воды. Суть прокачки состоит в том, чтобы сформировать вокруг ствола питающую камеру, куда быстро поступает вода. Кроме того, во время прокачки вода выносит в скважину глинистую и песчаную воду, которая затем откачивается. С каждым разом поток будет больше, а вода прозрачнее и чище, поскольку мутность снижается.

Важно! Не стоит волноваться, если во время первой прокачки выходит не просто мутная вода, а грунт/земля. Это нормально, поскольку земля попадает в воду в процессе бурения и остается на поверхности

После того как начнется прокачка с помощью погружного насоса, вода будет прозрачнее раз за разом.

Какой насос используют для прокачки? Они есть разные, самый примитивный – вибрационный, но его лучше не использовать. Он не опускается в скважину, поскольку не может формировать питающую камеру, закупоривает фильтр и поднимает ил. Гораздо практичнее использовать шнековый, роторный или лопастной насосы.

Рекомендуем насос для артезианских скважин Grundfos SQ 3-105 (или его аналог Waterstry 3 ST 3-90)

Плюсы и минусы колонкового бурения

Технология проходки этого типа обеспечивает точечное действие коронки, которая аккуратно вырезает образец материала по своему радиусу.

Преимущества колонкового типа бурения включают в себя:

высокую производительность;
возможность изучения подземного строения горизонтов;
прохождение скважин в базальтовых и гранитных пластах;
снижение себестоимости объекта за счет скорости работы.

Предварительный расчет позволит сэкономить средства. Проведение работ сопровождается регулярным осмотром оборудования на наличие повреждений, сколов. Соблюдение правил эксплуатации и техники безопасности снижает риск выхода из строя технического оснащения.

Как сделать подшипник на желонку: традиционный способ

Металлический шар, который погружается внутрь трубы, замурованный с обеих сторон и называют подшипником. Иногда подобное приспособление трубно найти, но его можно собрать своими руками.

Для этого запаситесь свинцовой дробью. Также для этого подойдут обычные подшипники от чего-либо. Теперь возьмите детский мячик подходящего диаметра и разрежьте его на две половины. После засыпьте материал и смажьте все клеем по железу (продается в специализированных магазинах), и соединяем обе половинки между собой.

Как только приспособление подсохло и надежно зафиксировалось, снимаем резину и шлифуем получившийся элемент на станке. Потом его можно использовать для желонки. Не стоит полагать, что самодельная конструкция окажется хлипкой. Этот подшипник прослужит немало лет.

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

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:

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

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

Технология колонкового бурения скважин реализуется следующим образом:

Подготавливается поверхность, которая очищается от мусора и посторонних предметов.
На небольшом расстоянииот планируемого отверстия роется яма глубиной около 2 м для промывочной жидкости.
В земле пробивается небольшое отверстие для размещения бура.
По мере углубления прохода в трубе скапливается грунт. При полном заполнении ееподнимают на поверхность.
Порода из трубы извлекается с помощью молотка. Удары необходимо наносить методично и не слишком сильно, чтобы не повредить металл.
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

Сфера применения колонкового бурения

Колонковое бурение – метод, позволяющий с наибольшей точностью определять глубину расположения кровли и подошвы грунтовых слоев, а также глубинную отметку зеркала грунтовых вод.

Колонковая буровая технология широко применяется в таких отраслях:

Водоснабжение в промышленной и частной сфере. Бурение скважин для частного водоснабжения, организация водозабора целых поселков или городских кварталов эффективно выполняется колонковым бурением благодаря тому, что бур легко проникает на большие глубины. Колонковый снаряд способен поднять практически любую разрушенную породу кроме водонасыщенных и рыхлых несвязных грунтов (песков, гравия, гальки);
Геологоразведка в горнодобывающей промышленности. При проходе горной породы происходит точечное воздействие на грунт по радиусу вращения. Другими словами, снарядом, конструктивно напоминающим трубу, выбуривается цельный массив горных пород без нарушения их структуры и состояния.
Строительство. Проведение инженерно-геологических исследований для изучения физико-механических свойств грунтов, состояния пород. Колонковая технология предоставляет возможность с высокой точностью выявить УГВ и отобрать пробы воды для изучения их агрессивности по отношению к бетону.

В ходе колонкового бурения извлекается керн – столбик грунта или смежных грунтовых слоев. Керн характеризуется цельной естественной структурой, что обеспечивает проведение всестороннего анализа изучаемой породы. Бурение колонковой трубой позволяет с наивысшей точностью определить глубину залегания породы с целью изучения.

Колонковое бурение скважин обеспечивает целостность извлекаемого керна, что способствует качественному изучению породы. Одновременно с тем производится наиболее качественная чистка забоя от разрушенной породы

Использование колонкового бура в строительстве существенно облегчает и ускоряет процессы. В подготовленное колонковым буром отверстие легко забивается свая либо монтируется готовая железобетонная конструкция. Колонковое бурение позволяет создавать цилиндрические отверстия в кирпичных и бетонных конструкциях.

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

Бурильный инструмент при колонковом способе

В качестве грунторазрушающего устройства применяется специальный инструмент с твердосплавными режущими частями или алмазными вставками.

Бурильная коронка с твердосплавными сменными резцами для колонкового бурения.

На кольцеобразном корпусе из легированной стали крепятся специальные замки для установки режущих пластин из твердого сплава. Пластины крепятся винтами и, по мере износа или притупления, заменяются на новые. На корпусе выполняется трапецеидальная многозаходная резьба для установки на бурильную колонковую трубу.

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.

В процессе колонкового бурения выбуренный конусообразный сегмент горной породы проталкивается в колонковую трубу. Для его извлечения колонковый снаряд достают из ствола путем разбора колонны бурильных штанг. Керн выдувают и выколачивают из трубы.

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.

Использование тяжелых гусеничных тягачей позволяет производить работы по колонковому бурению скважин в районах с бездорожьем, поверхностным заболачиванием, нестабильным рельефом

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.

Для механизации ручного бурения неглубоких скважин и формирования лунок для установки оград и опор ЛЭП применяются бензиновые и электродвигатели. Они сообщают вращающие движения шнеку или колонковой трубе

Достоинства и недостатки колонкового метода

Благодаря точечному действию коронки по своему радиусу обеспечивается аккуратное вырезание и вынесение на поверхность цельного керна. Технология применима для бурения пород до XII категории, можно работать как перпендикулярно, так и под углом.

Одним из важнейших показателей колонкового метода считается высокая производительность и скорость бурения.

Помимо этого можно выделить следующие достоинства:

Объем бурения в случае применения промывочной жидкости или технической воды составляет 85%;
Введение в рабочий раствор активных эмульсий дает возможность удержания стенок скважины в своем первоначальном состоянии;
Благодаря снижению осевых нагрузок вследствие того, что порода разрушается не в сплошную, достигается снижение энергетических затрат.
Метод позволяет работать с любыми породами, в том числе базальтовыми и гранитными.
При использовании сборного мобильного станка возможно проведение работ в труднодоступных местах.

Наряду с достоинствами, колонковое бурение скважин также имеет и свои недостатки:

При работе в трещиноватых породах зачастую возникает заклинивание керна, что ведет к необходимости извлечения трубы для его выбивания.
При прохождении твердых пород из-за перегрева и прихватывания коронка быстро затупляется. Чтобы этого избежать, необходимо применять охлаждающую жидкость и снижать скорость подачи. Вследствие этого снижается скорость бурения.
Маленькое сечение (до 200 мм) бурения не позволяет использовать мощные погружные насосы.

При разработке скважин на воду в случае применения глинистого раствора при вскрытии пласта велика вероятность заиливания водоносного слоя.

Недостатки колонкового бурения

Основными недостатками колонкового бурения являются:

малый выход столбика породы — «керна» при проходке мягких и неравномерных по твердости пород. Особенно сильно отрицательное влияние этого факта при пробуривании толщи полезного ископаемого;
довольно частые и сильные искривления скважин;
высокая стоимость алмазов, их хрупкость;
невозможность успешного бурения твердыми сплавами по породам с коэфециентом крепости более 8.

Почти все эти недостатки при правильном ведении работ могут быть устранены. Так, применение двойных колонковых труб и правильная заправка резцов в коронку сильно повышают выход керна. Производство кароттажа позволяет отбивать контакты пород с точностью до нескольких см. Бурение длинным колонковым снарядом с применением стабилизаторов и протекторов и соразмерное давление на забой при частом контрольном измерении наклона скважины предупреждают искривления. Умелое применение соответствующего оборудования снижает аварийность.

Указанные выше преимущества колонкового бурения способствовали чрезвычайному распространению его на разведочных работах. Разведка угольных месторождений, железных руд и большинства полезных ископаемых, залегающих в виде жил, осуществляется в значительной степени посредством колонкового бурения. Разведка круто падающих жильных месторождений на глубину вообще немыслима без бурения наклонных колонковых скважин.

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

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.

Станки и буровые установки

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Наглядная демонстрация процесса роторного бурения по шагам:

Видео #2. Разбор роторной технологии и принципов обустройства скважины:

Видео #3. Циркуляция воды при проведении роторного бурения:

Ситуация с наличием и глубиной залегания водоносных горизонтов может сильно отличаться от места к месту (а где-то их вообще нет, как на острове Мадейра).

При проектировании скважины и выборе оптимального способа роторного бурения следует использовать имеющиеся карты разведанных водоносных горизонтов. Это поможет вам сэкономить значительные средства и время.

Расскажите о вашем опыте в разработке скважины по роторной технологии. Поделитесь технологическими нюансами, которые пригодятся посетителям сайта. Оставляйте, пожалуйста, комментарии в расположенной ниже блок-форме, размещайте фото и задавайте вопросы по теме статьи.