Способы бурения скважин: технологические принципы и особенности основных методов

Существующие категории скважин

Согласно предназначению скважины бывают следующих категорий:

1. Параметрические — позволяющие определить разрез вертикального слоя.
2. Поисковые — имеют маленький диаметр, определяют перспективность бурения.
3. Разведывательные — определяют потенциал полезных ископаемых.
4. Эксплуатационные — способные извлечь полезное ископаемое из земных недр.

Скважины для добычи воды относятся к эксплуатационным, и делятся на дополнительные виды:

• добывающие либо нагнетательные;
• специализированные для технической и питьевой воды, в том числе и поглощающие;
• для мониторинга и наблюдения за пластовым давлением;
• дублеры для выработки;
• оценочные при эксплуатации.
  
  

Каждая из них имеет свои особенности при бурении и во время использования.

Бурильное оборудование и инструменты

При бурении артезианских скважин профессионалами используются буровые установки. Для скважин помельче подходит обычная тренога с лебедкой. Она будет опускать и поднимать буровой инструмент, состоящий из колонковой трубы, бурильных штанг, колонки для бурения, бура.

Спецоборудование, без которого сделать скважину проблематично, — буровой инструмент, который поможет углубиться в грунт (шнек), тренога и лебедка. Для бурения скважины своими руками потребуется металлический шнек. В качестве шнека может выступать ледобур, которым пользуются при зимней рыбалке. Главное, чтобы бур был из высокопрочной стали. Это самый дешевый вариант бурения скважины. Кроме треноги понадобятся трубы разного диаметра (водопроводные трубы, шланги, обсадная труба), вентили, кессон, фильтры, насос для скважины.

Процесс бурения артезианской скважины

Буровой инструмент

Теперь посмотрим, каким буром какой грунт и каким способом нужно бурить, см. рис. справа:

Буровой инструмент для ручного бурения

1. Шнековый бур, или просто шнек – для роторного бурения связных однородных грунтов обычной плотности; попросту – для земли, суглинков, слегка влажных супесей, мягких глин. В отличие от садового бура бур-шнек двухзаходный, иначе асимметрия усилия сопротивления грунта уведет бур в сторону и он застрянет;
2. Бур-стакан, или буровой снаряд Шитца – для связных, но вязких, сильно облипающих грунтов, в которых шнек застревает. Бурение – канатно-ударное;
3. Ложковый бур – для сыпучих и рыхлых грунтов, которые не держатся в витках шнека и в стакане. Бурение – ударно-вращательное или вращательное;
4. Желонка – для чистки ствола от осыпавшегося грунта, ила, и т.п. очень сыпучей или плывущей мягкой полужидкой породы. Бурение – канатно-ударное;
5. Как говорится, тьфу-тьфу-тьфу через левое плечо, и упаси боже, чтобы вам не понадобилось – буровое долото для разбивания валунов. Поперечное сечение – пластина с закругленным гранями. Калибр – внутренний диаметр обсадки минус 3-5 мм. Бурение – ударное штангой.

Режушие кромки всех буров выполняются из закаленной стали. Чертежи самодельных бура-стакана, аналога ложкового бура (режущие лопасти устанавливаются пропеллером под углом 3-10 градусов) и схема желонки показаны на след. рис. справа. Внешние диаметры всех этих буров можно менять смотря по калибру скважины.

Замена жидкости на более легкую

Проводят смену скважинного раствора прямой или обратной промывкой при спущенных НКТ и герметизированном устье. Глинистый раствор заменяют на пластовую воду, пластовую воду на пресную или нефть, а нефть замещают различными пенными системами.

При смене пластовой воды плотностью 1200 кг/м3 на нефть с плотностью 900кг/м3 максимальное снижение давления составит всего (1200-900)/1200 * 100% = 25% от давления создаваемого столбом пластовой воды. Если данным методом вызвать приток нефти из пласта не удается, применяют другие способы освоения. Обычно это свабирование или компрессирование.

Артезианская скважина

Схема артезианской скважины.

Название этого типа выработок пришло из французского языка — с места бурения первой фонтанирующей скважины: провинции Артуа. Большая протяженность ствола и прочные породы грунта, пересекаемые на пути к водоносному пласту, предполагают применение мощных буровых установок — шнековый способ не подойдет.

Строительству выработки предшествует этап документального оформления. Бурение артезианской скважины не относится к лицензируемому виду деятельности, но для пользования водой из нее необходимо оформить много разрешений и согласований, включая получение лицензии на недропользование. Процесс это длительный и затратный.

Основные этапы: согласование расположения участка и скважины, проект геологических изысканий, оформление лицензии на разведочные работы, бурение, составление отчета и постановка запасов на государственный баланс.

Артезианские скважины разделяют на 4 разновидности:

1. Выработка с двойной обсадкой — в нижней части колонны на водоносном участке монтируют перфорированную трубу и размещают в ней насос, другая половина устанавливается сверху, доходит до известнякового слоя. Через отверстия в нижнем звене вода поступает в трубу и помпой выкачивается на устье. Применяется, когда давление в пласте слабое.
2. Водоскважина с переходом устраивается при изменчивом геологическом разрезе. Монтируют 3 обсадные трубы — большого диаметра в верхней части, среднего — в камнях и песках, малого — непосредственно в продуктивном слое. Используется при хорошем подпоре воды.
3. Скважина классическая — с одной обсадной трубой для нормальных условий.
4. Ствол с кондуктором — из 2 обсадок: в верхней и нижней частях.

Технология бурения сложная. Строительство артезианского водозабора выполняется специализированными организациями.

Преимущества

Преимущества артезианской скважины.

Главными достоинствами артезианской скважины являются удаленность водозабора от поверхности и залегание воды в пористых известняках, исключающих присутствие механических примесей в жидкости. Это позволяет откачивать подземный ресурс без установки на забое сетчатого фильтра.

Как следствие, проявляются и другие преимущества артезианских скважин:

• экологическая чистота воды;
• независимость от климатических и погодных условий;
• бесперебойность водоснабжения: запасы подземных вод подтверждены геологическими изысканиями.

Источник остается неиссякаемым на протяжении ≥50 лет. При этом не потребуется тратить средства на периодические очистки фильтра: его нет.

Недостатки

Связаны с затратами на стадии организации строительства и бурения глубоких выработок. Продолжительность периода от проектирования до получения паспорта артезианской скважины — 2 года.

На ограниченной территории соорудить водозабор не получится: минимальные размеры площадки для буровой установки 6х9 м. Вода содержит минеральные образования, обретенные при фильтрации сквозь грунт, является жесткой.

Песчаные скважины

Схема песчаной скважины.

Бурятся шнековым способом — проходка осуществляется в мягких горных породах: суглинках, песке и галечнике. Диаметр выработки ≥100 мм.

По глубине различают песчаные скважины 2 типов:

• до 40 м — на слой верхнего залегания с дебитом 1 м³;
• 40-90 м — глубокие стволы с расходом воды в 2 раза большим.

В пробуренную выработку опускается обсадная колонна из металлических или пластиковых труб с фильтром в призабойной части скважины. Подъем воды производится погружным насосом.

Достоинства и недостатки

Основное преимущество — шнековый способ бурения, позволяющий построить скважину за 1-2 дня без особых усилий. Механизация всех операций обеспечивается конструкцией бурового станка на самоходном или передвижном шасси.

Другие достоинства:

• чистота воды;
• разрешение на строительство водозабора не требуется;
• срок эксплуатации — до 30 лет.

Недостатки отмечаются на скважинах малой глубины: зависимость дебита от осадков, чувствительность состава воды к загрязнениям поверхности на участке расположения выработки. Другой минус уже обозначен — склонность к заиливанию водоприемника.

Характеристика проблем бурения на море

Морские буровые установки сталкиваются с рядом проблем, которые существенно могут снизить эффективность выполняемых работ.

К наиболее основным проблемам относятся следующие:

Устройство буровой установки

• дрейф и качка подвижной буровой установки;
• неустойчивость рыхлых пород разрезов морского дна в месте бурения, их сильная обводнённость;
• сохранение чистоты окружающей среды;
• трудность организации работ по замкнутой циркуляции воды;
• невозможность для бурильщика видеть придонное устье скважины;
• преждевременный выход из строя оборудования, инструментов, находящихся в агрессивной среде;
• подбор особенных схем и способов бурения и др.

Кроме того, скважина бывает заполнена водой до уровня дна моря. Это ведёт к ослаблению энергии удара. Дрейф и подводные течения мешают сохранять строгую вертикальность ударного инструмента и ослабляет его погружение в рабочую породу.

Инструменты и приспособления для бурения скважины

1. Металлический шнек. Наиболее распространенный инструмент для строительства шахт. Применяется для работы на несыпучих грунтах. Бур-шнек заводского производства двухзаходный. Такая конструкция не позволит увести инструмент в сторону и перекосить его. Нижнее основание изготавливают размерами 45-85 мм, диаметр лезвия — 258-290 мм.
2. Бур-долото. Предназначен для работы в твердых породах. С его помощью разрыхляют породу. Наконечник бывает крестовым и плоским. Его можно использовать с ударной штангой.
3. Бур-ложка. Применяется для рытья скважин в песчаных почвах, т.к. на обычном шнеке песок держаться не будет. Используется при ударно-вращательном или вращательном сверлении.
4. Бур-стакан (снаряд Шитца). С его помощью создают шахты в вязких, сильно облипающих грунтах, в которых обычный роторный инструмент увязнет. Он используется при ударно-канатном бурении.
5. Желонка. Применяется для прохождения плывунов при ударно-канатном бурении.
6. Скважина-игла. Используется для создания абиссинского колодца. В подобной конструкции насадка, штанга и обсадочная труба представляют собой монолитную конструкцию, которая остается под землей после достижения водоносного слоя.

Часто для строительства одной скважины используют поочередно несколько видов инструментов. Например, для работы на глинистых почвах применяют шнек, желонку и бур-ложку. Для прохождения галечных пластов — желонку, долото и обсадные трубы.

Классификация водоносных слоев

Выделяются следующие основные разновидности водоносных слоев:

1. Верховодка. Так называются водоносы, располагающиеся близко от поверхности земли (2-7 м). Это ограниченные объемы безнапорной воды, окруженные водоупорными слоями (например, глина). Жидкость в них имеет, как правило, осадковую и паводковую природу. Характер накопления носит сезонный характер. Основные преимущества таких источников: малая глубина залегания, возможность подъема без насоса, низкие затраты при бурении скважин. Главный недостаток: низкое качество воды. Природный фильтр имеет малую толщину и не способен полностью очистить жидкость. В ней могут присутствовать различные химические соединения, а потому вода предназначена для технических целей. Для питья можно использовать только после дополнительной очистки и кипячения. Другой недостаток – снижение дебита (вплоть до полного прекращения подачи воды) в жаркое время года, а также сезонная нестабильность.
2. Грунтовка. Первый постоянный водонос в виде грунтовых вод находится на глубине 6-22 м. Такой пласт располагается между водоупорными слоями или ограничен только нижним водоупорами может достигать значительных размеров. Образуется он в результате просачивания осадкой и инфильтрации из водоемов. Водонос может относиться к напорному или безнапорному типу. В первом случае, вода находится в нем под давлением. Уровень залегания грунтовых вод может претерпевать сезонные изменения, снижаясь летом. Преимущества: легкодоступность и простота подъема на поверхность. Воду можно смело применять для любых хозяйственных нужд, но перед питьем или использованием для готовки пищи требуется фильтрация и кипячение.
   
   
3. Межпластовые водоносы. Это водные залежи, закупоренные между двумя водоупорными пластами. Они расположены на глубине 25-75 м и всегда находятся под давлением (напорный тип). При самостоятельном выходе на поверхность межпластовые накопления создают родники. Главное преимущество – чистота воды. Ее можно пить. Недостатки: глубокое залегание, сложности бурения, повышенные затраты при обустройстве скважины. Из-за наличия постоянного давления вода способна подниматься самостоятельно на определенную высоту. Если его не хватает для выхода на поверхность, то возникает необходимость установки насосного оборудования.

Типы скважин по профилю

До достижения полезного ископаемого шахта может пересекать несколько слоев грунта

Важно правильно выбрать метод для бурения скважины. В зависимости от числа плоскостей, где шахта искривляется — могут быть следующие виды скважин:

• искривленные в плоскости;
• искривленные в пространстве.

Это зависит от изгиба шахты. В связи с этим, искривление в плоскости может иметь следующие разновидности:

• ровный столб, в нижней части заканчивающийся наклоном;
• S — образный изгиб;
• J — образная конструкция.

Указанные изгибы образуются в результате разной плотности слоев грунта. В свою очередь, искривление в пространстве может проявляться в более сложных геометрических формах при бурении нефтяных и газовых скважин. Шахты для воды в своем большинстве делаются прямыми, изгибы могут применяться для обхода скальных пород.

Какая технология используется чаще всего

Здесь всё зависит от проектной глубины скважины и состава почвы на участке. Исходя из данных геологоразведки, подбирают наиболее оптимальный способ.  Также нужно понимать, как найти воду для скважины.

Для бурения артезианских скважин применяют роторный способ. Это метод наиболее обоснован экономически, экологически и дает скважины различной глубины и диаметра в рыхлых почвах со скальными вкраплениями.

Суть его заключается в следующем:

• На конце ротора, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания, располагается специальный бур. Он измельчает породу.
• В скважину подается вода под давлением. Она размывает почву.
• Далее вода выводится наверх по полому каналу ротора. Эту технологию еще называют «бурение с промывкой»
• После установки обсадной трубы большого диаметра, работа идет меньшим долотом-буром.
• По завершению буровых работ необходимо произвести т.н. «разглинизацию» скважины. Нужно это из-за того, что водно-глиняный раствор засоряет поры, по которым артезианская вода будет поступать в скважину.

Скважина дает вам возможность иметь на своем участке запас воды, для полива ваших растений в парниках из поликарбоната с открывающимся верхом, информацию о которых найдете тут.

Роторное бурение используется чаще всего.

Достоинства перед другими способами:

Послесловие

Еще живы буровые мастера, когда-то осваивавшие Тюмень с Уренгоем. Геофизической аппаратуры, строящей на дисплее компьютера 3D картинку того, что в земле, и полностью роботизированных буровых тогда не было, но они и так видели сквозь землю своей интуицией, опытом и были на «ты» со всеми духами недр. А тогдашние министры и члены политбюро, спеси у которых было поболее, чем у старозаветных бояр и удельных князей, к этим асам обращались на «вы» по имени-отчеству и почтительно здоровались с ними за руку.

Так вот, у любого из старых буровиков-зубров есть на счету неудачные скважины, чего они не стесняются – работа такая. Что ж тогда говорить начинающим, действующим самостоятельно? Не обескураживайтесь неудачей, вдруг первая скважина окажется пустой, или обрушится, или бур застрянет. Не без того в буровом деле. Но досада и разочарование моментально схлынут под мощным напором, как сейчас говорят, позитива, едва только ваша скважина даст воду.

***

2012-2020 Вопрос-Ремонт.ру

Вывести все материалы с меткой:

Перейти в раздел:

Чем скважина лучше колодца

Раньше вопросы решались только одним способом – копался колодец, вода в дом носилась ведрами. В дальнейшем начали использовать простейшие погружные насосы, они опускались в колодцы и накачивали воду в большие емкости, а уже из них она самотеком подавалась в дом. Но такая технология имеет много недостатков.

Скважина имеет весомые преимущества перед колодцем

1. Зимой емкости приходилось очень качественно утеплять, и даже такие мероприятия не гарантировали сохранность воды.
2. Незначительное давление не позволяло пользоваться стиральными автоматами и другой бытовой техникой, использующей воду под давлением.
3. В колодце находится вода с мелкозалегающих слоев. Она по многим параметрам не отвечает существующим требованиям СанПиН. Особенно сегодня, когда экологическая обстановка значительно ухудшилась.
4. Во время паводков, обильного таяния снега, сильных ливней грязная вода с поверхности земли попадала в колодец, что делало невозможным длительный период времени использовать ее не только для приготовления пищи, но и для бытовых нужд. Приходилось несколько раз полностью откачивать воду и делать дезинфекцию.
5. В колодец попадает грязь, он заиливается, его приходится периодически очищать. Это физически очень трудные работы, выполнять их могут только профессионалы.

Основные недостатки колодца обусловлены его небольшой глубиной

Сегодня есть отличный способ решения всех проблем – пробурить скважину, и чем больше ее глубина – тем лучше качество воды.

Изготовление бурового инструмента

Как уже упоминалось ранее, приспособления для бурения можно изготовить самостоятельно, одолжить у друзей, или приобрести изделия промышленного производства.

Иногда буровую установку можно арендовать. Однако цель самостоятельного бурения обычно состоит в том, чтобы максимально снизить затраты. Самый простой способ выполнить бурение дешево – сделать инструменты из подручных материалов.

На схеме представлено устройство различных инструментов для бурения. С помощью долота особенно твердый грунт можно разрыхлить, а затем его вынимают буром, желонкой или другим приспособлением

Вариант #1 — спиральный и ложковый бур

Ручное бурение можно выполнять спиральным или ложковым буром. Для изготовления спиральной модели берут толстый заостренный прут, к которому приваривают ножи. Их можно изготовить из стального диска, разрезанного пополам. Край диска заостряют, и затем ножи приваривают к основанию на расстоянии около 200 мм от его края.

Бур для шнекового бурения, созданный своими руками, может быть разной конструкции. Обязательные его элементы – ножи с заостренными краями и установленное внизу долото

Ножи должны быть расположены под углом к горизонтали. Оптимальным считается угол около 20 градусов. Оба ножа располагают напротив друг друга. Разумеется, диаметр бура не должен превышать диаметр обсадной трубы. Обычно подходит диск диаметром около 100 мм. Ножи готового бура следует остро заточить, это облегчит и ускорит бурение.

Другой вариант спирального бура можно сделать из стержня и полоски инструментальной стали. Ширина полосы может варьироваться в пределах 100-150 мм.

Сталь следует разогреть и свернуть в спираль, закалить, а затем приварить к основанию. При этом расстояние между витками спирали должно равняться ширине полосы, из которой ее изготавливают. Край спирали тщательно затачивают. Стоит отметить, что в домашних условиях сделать такой бур непросто.

Спиралевидный шнек для бурения можно сделать из трубы и стальной полосы, однако правильно свернуть ленту в спираль, приварить и закалить инструмент в домашних условиях не всегда просто

Для изготовления ложкового бура понадобится металлический цилиндр. В условиях самостоятельного изготовления проще всего использовать трубу подходящего диаметра, например стальную трубу на 108 мм.

Длина изделия должна быть около 70 см, с более длинным устройством будет тяжело работать. На этом корпусе следует проделать длинную и узкую прорезь, вертикальную или спиралевидную.

Самодельный ложковый бур проще всего изготовить из отрезка трубы подходящего диаметра. Нижний край сворачивают и затачивают, а вдоль корпуса делают отверстие для очистки бура

В нижней части корпуса монтируются два ложкообразных ножа, режущая кромка которых затачивается. В результате грунт разрушается и горизонтальными, и вертикальными кромками бура.

Разрыхленная порода поступает в полость бура. Затем его вынимают и очищают через прорезь. Помимо ножей в нижней части бура по оси устройство приваривают сверло. Диаметр отверстия, сделанного таким буром, будет немного больше, чем само устройство.

Вариант #2 — желонка и стакан

Чтобы сделать желонку, проще всего также взять металлическую трубу подходящего диаметра. Толщина стенок трубы может достигать 10 мм, а длина обычно составляет 2-3 метра. Это делает инструмент достаточно тяжелым, чтобы при ударах о грунт производилось его эффективное рыхление.

К нижней части желонки приделывают башмак с лепестковым клапаном. Клапан выглядит как круглая пластина, плотно закрывающая нижний срез трубы и прижатая достаточно мощной пружиной.

Впрочем, слишком тугая пружина здесь не нужна, иначе грунт просто не попадет в желонку. При вытаскивании желонки клапан будет прижат не только пружиной, но и грунтом, собранным внутри.

Нижний край желонки затачивают вовнутрь. Иногда у краю приваривают острые куски арматуры или заточенные куски металла треугольной формы.

Сверху из толстой проволоки делают защитную сетку и приваривают ручку, к которой крепят металлический трос. Подобным образом изготавливают и стакан, только клапан здесь не нужен, а в корпусе следует проделать щель для очистки устройства.

Как вам статья?