Получить консультацию
Горячая линия: +7 (812) 922-12-43

Способы бурения скважин

Способы бурения скважин

 

Водозаборы из скважин наиболее распространены в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения. Их сооружают для добычи подземных вод, залегающих на глубине более 10 м при мощности водоносного пласта не менее 5—6 м. Глубина водозаборных сква­жин иногда превышает 1000 м. В системах сельскохозяйственного водоснабжения водозаборные скважины по распространенности уступают лишь шахтным колодцам, однако диапазон возможного применения скважин значительно шире.

В практике сооружения скважин на воду получили распрост­ранение следующие способы бурения: вращательный с прямой промывкой, вращательный с обратной промывкой, вращательный с продувкой воздухом и ударно-канатный. Условия применения различных способов бурения определяются собственно технически­ми и технологическими особенностями буровых установок, а также качеством работ по сооружению скважин. Следует отметить, что при выборе способа бурения сква­жин на воду необходимо учитывать не только скорость проходки скважин и технологичность метода, но и обеспечение таких пара­метров вскрытия водоносного пласта, при которых деформация пород в призабойной зоне наблюдается в минимальной степени и ее проницаемость не снижается в сравнении с пластовой.

При проектировании водозаборных скважин способ бурения выби­рают исходя из геологических и гидрогеологических условий, требуемого диаметра скважин, технико-экономической целесообраз­ности применения способа бурения в конкретных условиях. Тех­нико-экономическая целесообразность применения того или иного способа бурения определяется с учетом трех основных показате­лей: качества и долговечности скважины, продолжительности и стоимости ее сооружения, однако решающим должно быть произ­водство долговечных скважин, сохраняющих неизменной водопро­ницаемость призабойной зоны длительные периоды времени.

Таблица 1. Рекомендации по выбору способа бурения

Способ бурения

Условия применения

Ударно-канатный

В рыхлых и скальных породах при глубине скважин до 150 м и начальном диаметре скважины более 500 мм

Роторный с прямой промывкой

В рыхлых и скальных породах при любой глубине скважин с начальным диаметром до 500 мм и с промывкой чистой водой, полимерными или глинистыми растворами

Комбинированный (ударно-канатный и роторный с прямой промывкой)

При глубине скважин более 150 м на ненапорные и слабонапорные водоносные горизонты, представленные рыхлыми от­ложениями. До кровли водоносного гори­зонта — роторный с глинистым раствором, по водоносному горизонту — ударно-ка­натный

Роторный с обратной промывкой

В породах I—IV категорий с содержанием в рыхлых и связных отложениях не более 10% валунов при глубине скважин до 200 м

Колонковый

В скальных породах при диаметре скважин до 150—200 мм при глубине бурения до 150 м

Реактивно-турбинный

При глубинах 500—1000 м и более и боль­ших диаметрах скважин

Цилиндрическую горную выработку, искусственно созданную в земной ко­ре, имеющую малый диаметр по сравнению с ее глуби­ной, называют скважиной.

Скважины на воду бурят обычно диаметром 150... 400 мм и глубиной 50...300 м, иногда диаметром до 1 200 мм, а глубиной 1 000 м и более.

Скважина состоит из устья 1 (часть скважины на по­верхности земли), забоя 5 (дно скважины), стенок 2 (боковая цилиндрическая поверх­ность скважины), ствола 3 (про­странство, ограниченное стенка­ми, устьем и забоем) (рис. 1).

Часть скважины, в которую поступает вода из горных пород, называется водоприемной 4.

Скважину, пробуренную в рых­лых породах, во избежание обру­шения закрепляют трубами, ко­торые называют обсадными. Во­доприемная часть называется фильтром. Фильтр удерживает стенки и одновременно пропуска­ет воду в скважину.

Бурение — последовательное разрушение горных пород на за­бое скважины и извлечение их на поверхность. В результате бу­рения забой постепенно переме­щается, а глубина скважины уве­личивается. Разрушают горную породу специальным породораз­рушающим инструментом—доло­том или буровой коронкой.

Долото разрушает горную по­роду по всей площади забоя, а коронка — только по кольцевому пространству его наружной части с сохранением породы внутри себя. Разрушенную поро­ду удаляют с забоя скважины промывкой или специаль­ным инструментом — желонкой (труба с клапаном в нижней части).

Скважины бурят буровой установкой. При сооруже­нии скважин на воду, как правило, используют само­ходные буровые установки. По назначению скважины на воду бывают разведочные, разведочно-эксплуатаци­онные и эксплуатационные.

Разведочную скважину бурят для составления геоло­гического разреза исследуемой местности, определения водоносности и фильтрационной способности пород, ка­чества воды и др. После получения этих сведений сква­жину ликвидируют, извлекая из нее трубы и заполняя глиноцементным материалом.

Разведочно-эксплуатационная скважина выполняет все функции разведочной, но ее не ликвидируют, а пе­редают в эксплуатацию.

Эксплуатационную скважину сооружают в хорошо разведанных районах, и служит она только для забора подземных вод, то есть эксплуатации.

Понятие о разрушении горных пород. Различные горные породы обладают и разными механическими свойствами. По механическим свойствам их разделяют на три группы: скальные, связные и сыпучие.

Скальные породы (граниты, кварциты, мрамор, ба­зальты, конгломераты, песчаники и др.) характеризуют­ся внутренней связью между частицами, плохой разрушаемостью. Стенки скважин в таких породах устой­чивы.

Связные породы объединяют в себе все виды глин. Они пластичны, легко разбуриваются. Стенки скважины во время бурения устойчивы. В ряде случаев при дли­тельном бурении некоторые виды глин впитывают воду и набухают, вследствие чего сечение ствола скважины может сузиться.

К сыпучим (рыхлым) породам относятся пески, гра­вий, галечник, дресва, то есть породы, частицы которых не имеют сцепления друг с другом. Эти породы склонны к обрушениям и создают в стволе пробки. При бурении по сыпучим породам необходимо контролировать устой­чивость стенок. В сыпучих породах иногда выделяют плывунные, то есть, как правило, мелкозернистые пески, полностью насыщенные водой и обладающие большой подвижностью.

Наибольшее значение при бурении скважин имеет механическая прочность горных пород. Под механиче­ской прочностью понимают свойство горных пород вы­держивать воздействие определенных внешних сил без разрушения. Она зависит от силы сцепления между частицами, слагающими горную породу, и их твердости.

В зависимости от механической прочности горные по­роды при бурении разрушают дроблением, истиранием, скалыванием или резанием породоразрушающим инст­рументом. При этом следует иметь в виду, что разруше­ние пород на забое в массиве отличается от разрушения образцов этой же породы на поверхности. Одновремен­но с разрушением горной породы происходит постепен­ное разрушение и самого породоразрушающего инстру­мента. Такое воздействие пород носит название абра­зивности.

Специально для бурения разработана классифика­ция горных пород по категориям, исходя из их буримости. Под буримостью понимают время (мин), требуемое на разрушение породы для углубления скважины на единицу длины (м).

Требования к буровым скважинам. Буровая скважи­на— сложное и дорогостоящее инженерное сооружение. Поэтому к сооружению ее предъявляют самые строгие требования. Наиболее важные из них — долговечность и надежность.

Достижение этих требовании во многом зависит от качественного проведения самого бурения, то есть эта­па, на котором закладываются основы успешной эксплу­атации скважины.

При долговечной работе скважины снижается стои­мость откачиваемой воды, экономятся средства, так как нет необходимости проводить ремонты и перебуривание скважин.

Надежность — безаварийная работа скважин — так­же зависит от качества буровых работ и правильного обслуживания скважин в период эксплуатации.

Скважина должна также обеспечивать получение заданного количества воды—дебита. Дебит определя­ют расчетом до начала бурения и закладывают в проект скважины. Поэтому буровая бригада при сооружении скважины должна соблюдать технологию ведения ра­бот для получения проектного дебита. Для подачи за­данного количества воды в скважине монтируют на­сос.

Конструкция скважины должна иметь минимальную металлоемкость, позволять проводить ремонтные работы и замену фильтра, предохранять возможное перете­кание подземных вод по затрубному пространству и пр.

Скважины нужно располагать вблизи объекта во­доснабжения с соблюдением санитарных норм. Для охраны подземных вод от возможного загрязнения вок­руг скважины создают санитарную зону с двумя поя­сами.

Первый пояс (пояс строгого режима) заканчивается на расстоянии не менее 30 м при заборе воды из на­порного водоносного горизонта и не менее 50 м из грун­товых вод. Эту территорию ограждают, охраняют и озе­леняют. На ней прокладывают канал для отвода ливне­вых стоков. Площадки, расположенные вблизи скважины, бетонируют или асфальтируют, сооружают павильон.

Второй пояс создают для ограничения хозяйственно- бытовой и производственной деятельности людей, кото­рая может приводить к ухудшению качества воды, по­ступающей на питание водоносного горизонта. Границы второго пояса определяют расчетами.

Кроме того, к скважинам предъявляют также требо­вания противовоздушной обороны (ПВО): на устье сква­жины должен быть смонтирован герметический оголо­вок, полностью изолирующий внутреннюю часть скважи­ны от внешней среды.

Способы бурения скважин. Скважины на воду бурят в основном вращательным и ударным способами.

Вращательный способ бурения заключается в разру­шении горных пород породоразрушающим инструмен­том в результате непрерывного вращения его с прило­жением осевой нагрузки. Разрушенную породу с забоя удаляют промывочной жидкостью.

На рисунке 2 показана принципиальная схема вра­щательного бурения.

 

 

 

Колонна бурильных труб 5 приводится во вращение вращателем (ротором) 6. В результате вращения доло­та и действия осевой нагрузки, вызванной весом инстру­мента, порода разрушается и забой скважины постепен­но углубляется, а трос 8 через ролик 3 сматывается с барабана лебедки 9, не препятствуя продвижению ко­лонны.

Разрушенную породу (шлам) вымывают с забоя про­мывочной жидкостью (чаще всего глинистым раство­ром), которую подают по бурильным трубам, а затем по стволу скважины 7 направляют на поверхность в отстойник 1, где частицы разрушенной породы оседают на дно. Очищенную жидкость насосом 2 снова подают по шлангу через вертлюг-сальник 4 и бурильные трубы 5 на забой. Таким образом, промывочная жидкость не­прерывно циркулирует.

Применяют также обратную циркуляцию промывоч­ной жидкости (воды). В этом случае разрушенную по­роду удаляют через бурильную колонну.

Вращательное бурение делят на роторное, колонко­вое и шнековое.

Роторное бурение — вращение колонны ротором. При бурении скважин на воду получило наибольшее рас­пространение. Оно позволяет достигать высоких ско­ростей бурения, дешево по сравнению с другими и дает возможность бурить на большую глубину. При этом способе скважины крепят одной колонной обсадных труб, что снижает металлоемкость конструкций.

При роторном способе скважины бурят самоходны­ми установками и буровыми агрегатами.

Колонковое бурение — разрушение породы на забое не по всему поперечному сечению скважины, как при роторном, а по кольцевому пространству, оставляя внут­ри долота столбик (колонку) породы — керн.

Колонковое бурение применяют в основном для раз­ведочных скважин, а при сооружении скважин на во­ду — редко из-за малого диаметра бурения.

Шнековое бурение отличается от вышеупомянутых процессом удаления с забоя разрушенной породы. Для ее транспортировки вверх пользуются не промывочной жидкостью, а спиральными шнеками. Однако используют его только в мягких породах и при глубине скважин не более 50 м. Шнековое бурение необходимо применять в сочетании с другими, так как в водонасыщенных песках бурить только этим способом нельзя.

Ударный способ бурения — последовательное разру­шение горных пород ударами долота, которое периоди­чески поднимают над забоем и свободно сбрасывают. Породу с забоя удаляют желонкой.

На рисунке 3 представлена принципиальная схема ударного бурения.

Массивное утяжеленное долото 1 подвешивают на стальном тросе 2, который через неподвижный ролик 3 мачты станка намотан на барабан лебедки 6. Поднима­ют н сбрасывают инструмент в результате поступатель­но-возвратного движения оттяжного подвижного роли­ка 4 и балансира 5. При движении балансира вниз долото поднимается над забоем, а при отключении ба­лансира оно при свободном сбрасывании наносит удар по забою. По мере углубления трос с барабана ле­бедки сматывается, не препятствуя продвижению до­лота.

Долото с присоединенной к нему утяжеленной штан­гой можно подвешивать на канате (ударно-канатное бу­рение) или приводить в действие стальными массивны­ми трубами-штангами (ударно-штанговое бурение).

Ударно-канатный способ имеет следующие недостат­ки: малые скорости бурения, большую металлоемкость конструкций скважин, громоздкость оборудования.

В настоящее время ударно-канатным способом бурят около 10% от общего объема, так как его вытеснил вращательный способ.

К преимуществам относятся: возможность точного установления при бурении геологического разреза, от­сутствие промывочной жидкости, получение высоких де- битов воды из скважины.

Ударно-штанговый способ бурения мало распрост­ранен, применяют его лишь при ручном ведении буро­вых работ.

Кроме того, неглубокие скважины на воду бурят гидродинамическим, вибрационным и грейферным спо­собами.

Гидродинамический способ бурения основан на раз­рушении пород сильной струей воды. Он может быть применен для мягких пород. Основные недостатки: не­обходимость использования насосов большой подачи и напора, отсутствие специальных станков, малая глуби­на бурения.

Гидродинамическое бурение в настоящее время при­меняют лишь иногда для установки фильтров, что поз­воляет избежать глинизации водоносного горизонта.

Ведутся разработки по созданию гидромониторного оборудования для разрушения пород более высокой прочности.

Вибрационный способ бурения основан на разруше­нии породы механическими колебаниями, передаваемы­ми породоразрушающему инструменту вибрационной машиной через бурильную колонну. Вибрационная ма­шина может быть выполнена в виде вибратора и вибро­молота.

В первом случае вибратор закрепляют сверху на трубах, которые он погружает в породы в результате на­рушения связен сцепления частиц. Вибромолот погружа­ет трубы ударами.

В буровых работах на воду вибраторы в основном ис­пользуют для извлечения обсадных труб и фильтров из скважин с глубины не более чем 25 м, так как колеба­ния их резко затухают с увеличением длины колонны.

Грейферный способ бурения — разновидность удар­но-канатного способа. Породу разрушают и одновремен­но извлекают с помощью инструмента — грейфера, ко­торый подвешивают на тросе экскаватора и сбрасыва­ют в скважину под действием собственной массы. Ме­таллические зубья грейфера разрушают породу и при подъеме сжимаются, забирая ее с забоя.

Грейфером бурят редко и только при больших диа­метрах и малой глубине скважин, так как этот способ бурения малопроизводителен и требует дополнительного оборудования для забивки труб.

Новые способы бурения. В настоящее время ведутся исследования по созданию новых способов бурения, к которым относятся магнитостриктный, имплозионный, ультразвуковой, эрозионный, плазменный, электроим- пульеный и др.

Магнитостриктный способ основан на использовании электромагнитных колебаний для разрушения пород.

При имплозионном способе бурения в скважину по­даются герметические капсулы, из которых предвари­тельно удален воздух. Капсулы разбиваются о породы, в результате чего в водной среде создаются разрушаю­щие импульсы.

Ультразвуковой способ основан на разрушении по­род ультразвуковыми колебаниями.

При эрозионном способе бурения породу разрушают кварцевым песком или стальной дробью, подаваемых с помощью водонапорной струи.

Плазменный способ бурения основан на разрушении породы струей плазмы, нагретой до 50 000°С.

При электроимпульспом способе бурения породы разрушаются ударной волной, создаваемой электриче­ской искрой, проходящей в воде.