Колонковое бурение скважин: описание технологии. Колонковое бурение как безошибочный метод определения месторасположения скважины на воду Что такое колонковое бурение скважин

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.

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.

Галерея изображений

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.

При колонковом бурении грунт не разрушается, а “высверливается” коронкой и захватывается колонковой трубой. На поверхность разбуренная порода извлекается в виде керна – монолитного цилиндрического столба горной породы

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 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.

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.

Галерея изображений

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.

Буровая установка на базе автомобиля, оснащённого мощным двигателем – оптимальный вариант для бурения в труднодоступных и отдалённых местах

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.

После выполнения проходки, глубина которой составляет 1,5 – 2,0 м, шнек извлекается, и в скважину устанавливаются . 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.

Шнековое бурение не требует использования промывочной жидкости, разработанная при помощи долота порода выносится на поверхность на лопастях инструмента

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.

Своеобразие роторной технологии

Роторное бурение скважин на воду осуществляется в три этапа:

1. Разрушение породы при помощи долота.
2. Вынос разрушенной породы на поверхность потоком нагнетаемой воды.
3. Укрепление стенок скважины обсадными трубами.

Вынос разрушенного грунта производится путём обратной или прямой промывки. Выбор способа промывки зависит от конкретных условий: глубины скважины, типа грунтов, наличия необходимого объёма промывочной воды.

Как правило, в частных хозяйствах используется технология бурения с прямой промывкой, которая включает в себя следующие этапы:

• заглубление в грунт долота большого диаметра;
• вращение долота под воздействием ротора;
• установка бурильных труб и монтаж утяжелённых труб между ними и долотом;
• удаление отработанного грунта напором жидкости при помощи насоса;
• монтаж обсадной трубы, чтобы предотвратить обсыпание грунта внутри скважины;
• бурение долотом меньшего диаметра и повторение всего цикла.

При обратной промывке грунт выносится из скважины по трубам бурильной колонны, а промывочная жидкость заливается между стенками скважины и трубами.

Вода самотёком поступает в предварительно подготовленный резервуар, где происходит её очистка от грунта и шлама, и возвращается в бурильную колонну за новой порцией отработанной породы.

В некоторых случаях при осуществлении роторного бурения применяют не прямую или обратную промывку, а продувку воздухом под давлением, созданным при помощи компрессора

Достоинства и недостатки роторного бурения

Главным достоинством роторного способа является возможность бурить глубокие скважины с забором воды в трещиноватом известняке.

Кроме этого данный метод бурения имеет следующие преимущества:

• высокое качество вскрытия водоноса в коренных скальных породах;
• возможность устройства скважины большого диаметра до 200 см;
• высокая скорость бурения, небольшие затраты энергоресурсов.

Существенным недостатком роторного бурения можно назвать необходимость организации промывки скважины.

Какой способ бурения выбрать?

Все рассмотренные способы механического бурения широко применяются для устройства водоносных скважин.

Подводя итоги, можно сказать, что:

1. Колонковое бурение целесообразно использовать для проходки в пластичных глинистых грунтах. Колонковый способ подходит для устройства большинства водозаборных выработок, при необходимости используется в паре с ударно-канатным.
2. Шнековое бурение по сфере применения схоже с колонковым методом. От него отличается некачественной очисткой ствола, требует обязательного использования желонки или долгосрочной промывки скважины перед эксплуатацией.
3. Роторное бурение – оптимальный вариант для пробивки стволов скважин в скальных грунтах.

Стоимость разработки скважины с использованием того или иного метода бурения во многом зависит от того, какое оборудование применяется, а также от категорий пройденных пород по буримости.

Правильно выбранный способ бурения скважины поможет не только снизить временные затраты на бурение, но и позволит в будущем эксплуатировать водоисточник без проблем

О том, как сделать буровой станок своими руками, вы сможете прочитать в другой нашего сайта.

Бурение водоносной скважины – трудоёмкий процесс. От правильности выбранного метода бурения зависит не только скорость устройства автономного источника воды, но и финансовые затраты.

Первое, на что стоит обратить внимание при выборе метода бурения, это тип грунта и глубина залегания водоносного слоя. Исходя из этих параметров, вы сможете выбрать оптимальный вариант, который позволит вам пробурить скважину быстро и недорого.

Колонковое бурение скважин является одним из самых старых методов. На сегодняшний день он мало распространен, так как при таком способе бурения используется забойный инструмент малого диаметра. Его диаметр может составлять максимум 150 мм, то есть скважина получится узкой. Это ограничивает возможности по оборудованию скважин, делает практически невозможной установку фильтров диаметром, который соответствовал бы водоподъемному оборудованию.

Колонковый метод довольно часто применяют для бурения разведочных скважин с большой глубиной и бурения бесфильтровых скважин, которые актуальны для скальных пород. Колонковый метод подойдет для бурения артезианских скважин.

При использовании такого метода бурения стоит помнить, что впоследствии скважины могут существенно расширяться, поэтому недостаток способа не является ключевым при выборе технологии.

Особенностью такого метода является тот факт, что вращающийся бур, который выполнен в форме кольца, разрушает породу только по краям забоя. При этом разрушенная порода вымывается нагнетаемой в колонну буровых труб водой, делается это при использовании специального насоса с промывочной жидкостью.

Внутренняя часть устройства, которая называется керн, находится внутри труб, во время бурения она периодически поднимается на поверхность.

Для проведения колонкового бурения скважин используют специальные установки типа УКБ, а также станки с различными техническими показателями. Главным преимуществом колонкового бурения является то, что все использованное оборудование самоходное, поэтому участие оператора в процедуре сведено к минимуму.

Достоинства и недостатки колонкового бурения

Эта технология может применяться для пород 12-й категории. Используется она как под углом, так и перпендикулярно грунту.

К достоинствам способа можно отнести тот факт, что технология осуществляет вынос на поверхность кернового материала. Это позволяет определить состояние геологии в данной местности, что поможет обосновать наличие или отсутствие здесь месторождений полезных ископаемых.

Важным преимуществом технологии считается и то, что скорость работы очень высока.

Кроме того, выделяют следующие преимущества:

1. Объем бурения с использованием промывки технической воды достигает 85%.


2. Использование в составе раствора активных эмульсий позволяет удерживать стенки скважины в первоначальном состоянии, что немаловажно для работы.


3. Технология довольно экономичная. При работе энергетические затраты меньше, чем в других случаях, так как осевые нагрузки меньше и процесс осуществляется периодами.


4. Метод применим при работе с любыми породами.

Колонковое бурение имеет также несколько недостатков:

1. При использовании его под углом в трещинах породы может возникнуть заклинивание керна. Это приведет к необходимости его выбивания, для чего используется колонковая труба.


2. Кроме того, в ходе процесса колонка затупляется очень быстро, так как она сильно перегревается при работе с твердыми породами.


3. Малое сечение бурения. В связи с этим использование мощных погружных насосов исключается.

Другие особенности технологии колонковое бурение скважин

Данный метод активно применяется на разведочных и артезианских скважинах, он обеспечивает небольшой диаметр скважины и довольно приличную глубину. Особенность метода состоит в кольцевом разрушении породы, то есть при бурении из грунта вымываются его остатки благодаря использованию промывочной жидкости.

Раствор для промывки подается в специальную колонну, для этого, как правило, используют высокомощные грязевые насосы. Создание скважины осуществляется путем воздействия вращательного движения устройства для бурения.

В качестве данного устройства может быть использована твердосплавная или алмазная коронка, которая и внедряется в грунт. Метод используется преимущественно для бурения скважин под воду в однородных породах, но может быть использован и при работе с трещинами.

В ходе технологии из новой скважины выводятся примеси и остатки – песок, грунт, мусор. Иногда колонковое бурение скважин вместо промывки использует продув воздухом. Этот вариант предпочтительнее, так как он более экономный, в связи с отсутствием необходимости приобретать промывочные жидкости.

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, а также само инновационное оборудование.

Читайте другие наши статьи.

Выбор месторасположения скважины на воду должен быть основан на результатах исследований, в том числе гидрогеологических. Один из самых точных методов исследования недр - бурение разведывательной скважины. Один из самых востребованных видов бурения разведывательной скважины - колонковое.

Основное отличие колонкового бурения - разрушение проходимой породы по периферии забоя с полным сохранением ее центральной части в колонковой колонне. Чтобы было понятно: если на перфоратор прикрепить круглую коронку, вгрызться ею в цемент, получим мини-модель колонкового бурения, показывающую сам принцип - в цементе будет вырезан тонкий круг, центр останется в целости и сохранности. Правда, «керн» мы не вырвем из цемента (нечем заклинивать), но не суть - именно так проходит колонковое бурение скважин.

Процесс поэтапно:

1. Коронку соединяют с колонковой трубой.
2. Колонковую трубу соединяют с бурильными трубами, наращиваемыми по мере проходки.
3. Верхнюю бурильную трубу закрепляют в шпинделе бурового станка, работающего от двигателя посредством ременной передачи.
4. Станок вращает трубы, коронка разрушает породу по периферии забоя.
5. Образующийся в центре керн наполняет колонковую трубу.
6. Насос подает промывочный раствор через шланг, сальник, бурильные трубы.
7. Выходящий на поверхность раствор выносит разрушенную породу, проходит по желобам, где оседает шлам.
8. Очищенный раствор насос вновь подает на забой.

При полном заполнении колонковой трубы керном его заклинивают, отрывают и поднимают наверх вместе со снарядом. Для этого прекращают бурение. Процесс останавливают и для смены рабочей коронки, когда она приходит в негодность (затупляется).

Режим бурения определяют по следующим параметрам:

• вид коронки,
• количество оборотов,
• объем и качественные характеристики промывочной жидкости,

Зачастую используют утяжеленные бурильные трубы, и это не прихоть - их применяют не только для повышения нагрузки на коронку и снижения износа оборудования, но и в целях предотвращения отклонения скважины от вертикали.

В зависимости от состояния забоя в качестве промывочной жидкости используют:

• аэрированный раствор,
• глинистый раствор,
• пены,
• полимерные жидкости,
• сжатый воздух,
• эмульсии.

Керн извлекают двумя способами:

1. Подъем бурильной колонны - столбик пород заклинивают и отрывают от забоя, поднимают вместе с колонной.
2. Гидротранспорт - через бурильную колонну керн непрерывно подается на поверхность под давлением промывочного состава.

Второй метод считается перспективным. Продолжают разработки по его усовершенствованию, включая плавную регулировку скорости вращения в автоматическом режиме.

Скорость колонкового бурения скважин высока:

• роторным методом - 100–3000;
• турбинным - 60–900 оборотов в минуту.

Инструментарий для колонкового бурения

В колонковом бурении используют:

• колонковую трубу;
• колонну бурильных труб;
• коронку или колонковое долото (в зависимости от абразивных свойств и твердости исследуемых пород);
• муфтово-замковые, ниппельные соединения;
• промывочный сальник;
• тройной переходник;
• шламовую трубу.

В спускоподъемных операциях используют ключи, подкладывающие вилки, элеваторы.

Коронка - кольцо, сделанное из трубной заготовки. На изготовление идут:

• вольфрам,
• победит,
• сталь.

На рабочем конце коронки находятся резцы, изготовленные из алмазов или твердых сплавов. По сути, коронка - кольцо с расточенной на конус внутренней поверхностью и правой трапецеидальной наружной резьбой в верхней части.

Преимущества колонкового бурения скважин

Впервые метод был предложен еще в 1862 году господином Лешо. Минуло полтораста лет с хвостиком, а колонковое бурение до сих пор востребовано, да еще считается перспективным. Причина длительности нахождения метода на пьедестале в его преимуществах:

• столбике керна, извлекаемом на поверхность в целости, что открывает возможность тщательного исследования недр: керн показывает пласты в разрезе, ни один другой способ не дает таких точных данных;
• использовании сравнительно легкого оборудования;
• возможности бурения с отклонением вплоть до горизонтального: с применением этого метода проходят вертикальные, восстающие, многозабойные, наклонные скважины;
• проходке любых пластов, включая базальтовые и гранитные;
• малом диаметре пробуренной скважины (при разведке месторождений нефти - до 305 мм; воды - до 151 мм) при откровенно большой ее глубине.

Кольская сверхглубокая скважина была пробурена этим способом. На 7000 м произошел обрыв колонны в нестандартных грунтах; дальше бурили с отклонением и достигли отметки в 12 262 м - беспрецедентный результат в разведывательном бурении.

Колонковое бурение скважин в гидрологической разведке

В обустройстве скважин на воду колонковое бурение - один из самых точных методов разведки. Он обеспечивает качественное вскрытие водоносного пласта, не оставляя места для предположений - поднятый на поверхность керн наглядно демонстрирует структуру пройденных грунтов и пород.

Не забываем: от качества вскрытия пласта напрямую зависят срок службы скважины и ее дебит. Они-то и составят экономию, хотя изначально кажется, что с разведывательным бурением выйдет дороже. Кроме того, пробуренную скважину можно использовать, продолжив ее обустройство после поднятия керна на поверхность (если его не подавали гидротранспортом).

Видео: колонковое бурение скважины

Колонковое бурение проводят приблизительно как показано в ролике. То есть достоверны техника и сам процесс, а вот детали требуют пристального внимания.

По всей видимости, дыру сделали исключительно для съемок. Вокруг предполагаемой скважины нет приямков. Промывочная жидкость ведет себя как ей хочется. Выбросы бесконтрольны. На деле жидкость должна поступать в специально обустроенное заглубление, где выносимая порода будет оседать. Насос перекачает оттуда раствор и заново направит его на промывку забоя. В углубление раствор поступает по специальным желобам. Эти земляные работы проводят на предварительном этапе.

Мы не зря приводим в пример именно этот ролик: знание, как не надо делать - половина успеха. Самостоятельное колонковое бурение абсолютно бессмысленно: грамотно проанализировать керн могут только специалисты, и обращение к ним - необходимость. Однако контролировать этих специалистов вполне возможно и даже нужно. Показанное в видео неприемлемо. Даже если промывочную жидкость не используют вторично, то отвести ее должны туда, куда вам надо, а не уделывать весь участок выбросами породы.

Способ выполнения скважин с применением такого способа является наиболее производительным. Его особенность состоит в том, что разрушение грунта производится не по полному объему сечения отверстия, а по кольцевому контуру. Неразрушенная часть из середины ствола, называемая керном, выводится по внутреннему объему бурильной (колонковой трубы). Таким образом, колонковое бурение скважин позволяет получить точное подземное строение грунтов в зоне выполнения работ. А поскольку способ позволяет бурить отверстия на глубину, исчисляемую тысячами метров, он является практически идеальным для геологической разведки в малоисследованных областях или участках. Этому способствует также высокая производительность процесса, достигаемая за счет уменьшенной площади контакта с грунтами.

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

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.