Колонковое бурение скважин – один из самых эффективных и экономичных способов формирования горных выработок. Его применяют при разведке месторождений и в инженерной геологии. Кроме того, это самый простой и быстрый способ получения доступа к подземным водам для организации водоснабжения.
В статье рассмотрены особенности колонкового бурения, необходимый инструмент и особенности его применения.
Сфера применения колонкового бурения
Колонковое бурение дает возможность наиболее точно определить глубину залегания кровли и подошвы почв, а также уровень грунтовых вод.
Колонковая буровая технология используется во многих отраслях.
- Водоснабжение в промышленной и частной сфере. Для частного водоснабжения, организации водозабора в поселках или городских кварталах эффективен метод колонкового бурения. Буровая установка легко проникает на большую глубину, а снаряд способен поднять практически любую разрушенную породу за исключением водонасыщенных и рыхлых несвязных грунтов (песков, гравия, гальки).
- Геологоразведка в горнодобывающей промышленности. При продвижении по горным породам воздействием подвергается почва по кругу вращения. Специальным снарядом, подобным трубке, извлекается целый участок горных пород без изменения его конструкции и первоначального вида.
- Строительство. Инженерно-геологические исследования определяют физико-механические свойства грунтов и состояние пород. Технология колонкового бурения позволяет с высокой точностью установить уровень грунтовых вод и взять пробы воды для анализа её агрессивности к бетону.
В процессе колонкового бурения извлекают керн — фрагмент грунта или смежных слоев. Цельная структура керна дает возможность провести полный анализ изучаемой породы. Бурение колонковой трубой позволяет точно определить глубину залегания породы для исследования.
Применение колонкового бура в строительстве значительно упрощает и ускоряет работы. В созданное колонковым буром отверстие без труда забивается свая или устанавливается готовая железобетонная конструкция. Колонковое бурение дает возможность формировать цилиндрические отверстия в кирпичных и бетонных сооружениях.
Технология проведения работ и оборудование
Существует два способа применения колонкового бура: бурение с подачей жидкости в скважину и сухое бурение без бурового раствора.
Бурение без бурового раствора допустимо в несвязных грунтах, насыщенных достаточным количеством естественной влаги для проходки и извлечения материала. Воду не подают в ствол выработки при проходке по текучепластичным, мягкопластичным и тугоппластичным суглинкам/глинам, твердым и пластичным супесям.
При разбуривании скальных и полускальных горных пород жидкость обязательна. Без неё углубление происходит значительно медленнее. Также возрастает вероятность преждевременного выхода из строя коронки, поэтому бурение на сухую считается более затратным.
При использовании бурового раствора скорость проникновения увеличивается значительно.
Этот метод применяют чаще всего при бурении глубоких скважин. Благодаря ему выполняется работа в максимально короткие сроки с минимизацией риска повреждений долота.
При разработке скважин в слабых и пористых почвах воду подают под высоким давлением на забой, если цель не состоит в извлечении керна. Потоком воды в таком случае промывают забой, очищая ствол от обломков породы.
Принцип колонковой методики
При колонковом бурении важную роль играет разрушающая режущая деталь, закреплённая на подошву колонковой трубы. Её называют couronne. Для проходки скальных пород используют специальные коронки с алмазными резцами.
Алмазная коронка позволяет буру свободно проходить на большую глубину при создании водозаборных выработок в известняк. Это актуально при разработке скважин, опускаемых в коренные породы, где за много веков конденсация сформировала запасы чистой подземной воды в трещинах.
Буровая коронка, вращающаяся на высоких оборотах, разрезает горную породу. Скорость вращения бура можно изменять, исходя из плотности разрабатываемого грунта. Коронка «вырезает» грунт по краю цилиндра, а центральная часть продавливается в колонковую трубу.
Чтобы получить керн, буровой снаряд поднимают наверх. Захваченный им грунт выдувают из колонкового бура струей воздуха, подаваемой в верхнюю часть трубы. Процесс выдува ускоряется постукиванием по снаряду кувалдой.
Для извлечения керна разбирают буровую колонну. Затем керн продувают и ударяют из трубы.
Колонковые буры эффективнее матричных и шарошечных в прочном грунте из-за большой скорости вращения, которая уменьшает необходимую силу для сверления.
Кроме того, долота полностью уничтожают породу, которую потребуется извлечь желонкой или промывать водой с давлением. В итоге придется по несколько раз проходить один и тот же участок: сначала разрушать, потом очищать. Технология колонковой разработки позволяет пройти и расчистить забой одним разом.
Станки и буровые установки
Выбор станка или буровой установки зависит от назначения скважины и ее диаметра.
Бурильное оборудование обычно устанавливают на грузовики МАЗ, КАМАЗ и Урал. Возможна установка и на более легкой технике, применяемой для бурения скважин для воды в индивидуальном жилищном строительстве.
При ручном вращательном бурении Вместо колонковой трубы применяется старинный аналог — стакан.
Это уменьшенная версия колонковой трубы с острым краем на основании.
В землю вручную или при помощи мотобура погружают стакан и извлекают всё, что в него попало.
Оборудование для проходки и обустройства скважин
Для проведения колонкового бурения требуется оснащение, способное осуществлять работы на значительных глубинах и обрабатывать разные типы горных пород. В процессе работ необходим периодический подъем разрушенных зарядами материалов на поверхность.
Стандартный набор бурового инструмента
Для качественного выполнения работ требуется:
- Колонковые снаряды. Используются для как горизонтального, так и вертикального бурения. С обычными колонковыми трубами можно бурить под углом до 45 градусов. Тонкостенные колонковые снаряды применяют только для горизонтального бестраншейного бурения при прокладке коммуникаций.
- Коронки. Для извлечения керна из горной породы колонковая труба комплектуется разрушающим инструментом. Латунные коронки предназначены для бурения осадочных связных и несвязных грунтов. Для проходки скальных пород, сверления отверстий в бетоне, асфальте, кирпичной стене выпускают твердосплавные коронки с алмазными резцами.
- Стальные обсадные трубы. Для обустройства выработки — создания ствола скважины во время ее углубления нужны обсадные трубы. Диаметр труб соответствует диаметру скважины. Выбор обсадных труб для водозабора осуществляют заранее, исходя из диаметра колонковой трубы и насоса, предназначенного для работы в скважине.
- Штанги. Между собой скручиваемые узкие трубки служат для увеличения длины буровой колонны. Их поочередно прикрепляют к верхней части колонновой трубы, чтобы передать вращательное движение на большую глубину, чем высота снаряда. Сумма высоты колонковой трубы и высоты буровых штанг равна глубине выработки.
- Переводники. Для соединения буровых штанг разного диаметра нужны переходники резьбы. вращателях, промывочных сальниках и других комплектующих.
- Промывочные пробки и сальники. С помощью этого инструмента поднимают разрушенный грунт на поверхность, если не требуется извлечь целый керн. В таком случае на место работы подается вода, которая вымывает разрушенный грунт под давлением на дневную поверхность.
- Долота. Их применяют для увеличения глубины скважин в сложных для преодоления участках при бурении колонковым буром. Использование долота может потребовать перехода от вращательного к ударно-канатному способу бурения.
Этот инструмент – типовой набор для бурения методом колонны. В некоторых ситуациях, при сложной разработке, могут понадобиться дополнительные инструменты и техника.
Особенности конструкции колонковой трубы
Конструкционная особенность снаряда При колонковом бурении обеспечивается наибольшая сохранность керна за счёт кольцевого размещения по периметру свободного прохода. К ключевым показателям относится коэффициент… керноотбора. Отношение диаметра керна к внешнему диаметру инструмента составляет его определение.
Инструмент для колонкового бурения унифицирован и отличается главным образом диаметром. Трубы по конструктивным особенностям разделяют на одинарные и двойные. Одинарными снарядами можно работать в обычных геологических условиях, что делает их подходящими для бурения водозаборных скважин.
Двойной инструмент без вращающейся внутренней трубы предназначен только для геологоразведки. С его помощью извлекают образцы пород, которые быстро разрушаются под воздействием различных факторов. Инструмент позволяет взять пробу в естественном сложении с природным содержанием полезных ископаемых и пустой породы.
Каждая колонковая труба предназначена для продувки, подачи бурового раствора в скважину и её промывки. Верхняя часть каждой трубы имеет технологическое отверстие для подачи воды или струи воздуха.
Специфика режущей части снаряда
Каждая коронка — кольцо с резьбой сверху для крепления к колонковой трубе и резцами снизу. Резцы могут быть цельнолитые или приваренные к режущему металлическому элементу.
В процессе колонкового бурения применяют такие бурные головки:
- Твердосплавные – мелкорезцовые, ребристые.
- Алмазные – импрегнированные и мелкоалмазные.
Твердосплавные режущие элементы применяют для бурения «мягких» грунтов. С помощью этих элементов производится бурение всех видов глинистых пород любой консистенции, полускальных пород, маловлажных и влажных песков плотного сложения и средней плотности. Для проходки по песчаникам и мергелям используют коронки с вольфрам-кобальтовыми резцами.
Мелкорезцовые Коронки рассчитаны на бурение средних по твердости грунтов небольшого диаметра. абразивностиРезцы имеют восьмигранное или квадратное сечение. Раз placement резцов на разной высоте создает ступенчатый збой, выгоды которого описаны ранее.
Ребристые Коронки применяются при сверлении закаленных камней с умеренной твердостью. абразивностиИнструменты для обработки подобных коронок имеют форму стального цилиндра или призмы. штабика С применением твердосплавной вставки. Эффективность работы сохраняется даже при износе коронки.
Алмазные коронки служат для бурения скальных и полускальных пород. абразивности.
Количество ребер зависит от конструкции коронки и ее диаметра: может быть от трех до шести. Для ускорения разрушения породы можно сместить ребра вверх относительно торца коронки. Это создаст ступенчатый забой и упростит движение промывочной жидкости.
Трубы для обсаживания ствола скважины
Колонковые и обсадные стальные трубы производятся по ГОСТу 51682-2000. В геологоразведке и инженерной геологии их используют для предотвращения обрушения грунта на забой, что мешало бы определить глубину смены одного геологического слоя другим.
В обустройстве водозаборных выработок Обсадные трубы строят стенки скважины. В обсадную колонну, собранную из труб, погружается эксплуатационная, составленная преимущественно из пластика. Эксплуатационную колонну комплектуют фильтром для удержания песчинок и мелкого гравия во время откачки.
Обсадные трубы с ниппельным соединением являются самыми распространенными. Трубы имеют резьбу с одной стороны — внутреннюю, а с другой — наружную. Собирать ствол выработки из труб с резьбой просто и быстро.
Для сварных стыков существуют обсадные трубы, но в частном домостроении их не применяют из-за сложности монтажа столбов.
Обсадные и колонковые трубы производят из стали марки 45 группы прочности «К». Для увеличения стойкости к изнашиванию края труб подвергают закалке. Выбор материала зависит от применяемой техники бурения и диаметра. погружного насоса В устройствах частных водозаборных выработок применяют трубы с диаметром от ста сорока до двухсот миллиметров.
Этапы колонкового бурения
Перед началом работ нужно ознакомиться с кадастровым планом и подготовить рабочую поверхность. Гарантировать свободный доступ к месту бурения как для бурильной установки, так и для машины с промывочной жидкостью.
Затем потребуется вырыть яму объемом не менее двух кубометров, чтобы избежать необходимости использовать дополнительный резервуар. Яма предназначена для сбора грунтовых вод и отработанной промывочной жидкости. Для установки основной части ствола нужно будет пробурить грунт.
Далее происходит крепление выбранной коронки к буровой колонковой трубе, а также подбор… обсадных трубПогружение сопровождается наращиванием усилия. Установка должна быть крепко закреплена перед запуском бурового оборудования.
С увеличением глубины и заполнением колонкового бура его периодически поднимают на поверхность и очищают от грунта, захваченного инструментом при бурении. Затем освобожденный от керна бур возвращают в скважину для продолжения работ.
Чтобы поднять колонну бурильных труб вверх, её разбирают поэтапно: штанга за штангой, пока не получится вынуть колонковую трубу из ствола.
Для частных лиц оптимальным способом разработки скважины является колонковое бурение с промывкой. Образцы в данном случае не требуются. Важно оперативно создать ствол и очистить его от остатков породы. Параллельно ведется подготовка выработки к предстоящей эксплуатации.
Для промывки можно использовать воду из ближайшего пруда или реки. Бурение возможно и без жидкости, если скважина предназначена для песчаного слоя. В таком случае обычно хватает пары ведер воды как бурового раствора только для охлаждения инструмента в процессе работы.
При эксплуатации в рыхлых, маловодных песках для укрепить стенки отверстия в рабочий раствор рекомендуется добавлять жидкое стекло или глинистую смесь. При бурении сквозь горизонт с неустойчивой структурой укрепление стенок скважины обсадными трубами оправдано.
Технологические особенности процесса
Глубина скважины может регулироваться изменением частоты вращения бура. Осадочные породы бур преодолевает на низких оборотах. В коренных породах частоту вращения повышают. При колонковом способе можно проходить пласты разного состава и твердости.
Буровую установку нужно размещать на ровном, горизонтальном участке. Угол проходки возможно регулировать при диаметре буримого отверстия скважины до одного метра. После этого вертикальность ствола поддерживается обсадной колонной.
Возможна повторная эксплуатация обсадных труб при извлечении из выработки сразу же после проходки. Колонковая труба — многоразовый инструмент, в отличие от коронок, требующих не менее двух экземпляров, а то и большего количества для бурения в осадочном горизонте. Количество стертых коронок при бурении скважины на известняк предсказать невозможно.
Буровую установку возможно устанавливать на автотехнику с большой грузоподъёмностью или на гусеничный транспорт. спецтехнику При выполнении работ в сложных условиях местности, для бурения колонковым методом скважин на воду предпочтительна более маневренная техника.
Достоинства и недостатки колонкового метода
Благодаря точному воздействию коронок, по радиусу своей конструкции, осуществляется аккуратное извлечение керна из породы на поверхность. Технологии подходят для бурения различных типов горных пород до… XII Разделы могут взаимодействовать по-разному: либо строго параллельно, либо с наклоном.
Колонковый метод славится высокой производительностью и скоростью бурения.
Также стоит отметить следующие плюсы:
- При использовании промывочной жидкости или технической воды объем бурения достигает 85%.
- Введение в рабочую смесь активных эмульсий позволяет сохранять стенки скважины в исходном виде.
- Снижение осевых нагрузок из-за разрыхления породы приводит к уменьшению энергозатрат.
- Метод применим ко всем породам, включая базальтовые и гранитныe.
- Сборные мобильные станки позволяют выполнять работы в труднодоступных местах.
Помимо преимуществ, колонковое бурение скважин обладает и недостатками.
- В трещиноватых породах керн часто заклинивает, требуя извлечение трубы для удаления.
- Перегрев и прихватывание коронки при прохождении твердых пород приводят к быстрому ее затуплению. Для предотвращения этого применяют охлаждающую жидкость и уменьшают подачу, что снижает скорость бурения.
- Небольшой диаметр скважин (до 200 мм) ограничивает применение высокомощных установок. погружные насосы.
Разработка скважин на воду с применением глинистого раствора при вскрытии пласта может привести к заиливанию водоносного слоя.
Выводы и полезное видео по теме
Видео 1. Первоначальная стадия бурения скважины с помощью колонкового метода.
Видео 2. Работы по созданию скважины методом колонкового бурения в скальной породе из гранита.
Перед началом колонкового бурения скважины требуется проведение экономического расчёта. Соблюдение норм безопасности и правил эксплуатации оборудования минимизирует риск поломки, что повышает эффективность работы, скорость бурения и сокращает экономические затраты.
Обладает ли информация о колонках, которая неизвестна широкой публике? Хотите поделиться ею? Комментируйте ниже, задавайте вопросы и размещайте фотографии по теме статьи.