Колонковое бурение скважин — эффективный и экономичный способ создания горных выработок, применяемый при разведке месторождений и в инженерной геологии. Этот метод также самый простой и быстрый способ обеспечить доступ к подземным водам для водоснабжения.
В статье изучаются особенности колонкового бурения, инструменты для его проведения и применение.
Сфера применения колонкового бурения
Колонковое бурение точно определяет глубину залегания кровли и подошвы грунта, а также уровень грунтовых вод.
Колонковая буровая техника используется во многих отраслях.
- Водоснабжение в промышленной и частной сфере.Колонковое бурение эффективно используется для обустройства частного водоснабжения, забора воды в населенных пунктах и городских районах благодаря способности бура проникать на значительные глубины. Колонковый снаряд способен извлечь практически любую разрушенную породу, за исключением водонасыщенных и рыхлых несвязных грунтов (песка, гравия, гальки).
- Геологоразведка в горнодобывающей промышленности.Во время обработки горных пород воздействие распространяется локально по радиусу вращения. Снаряд, по форме похожий на трубу, формирует единый объем горных пород, не разрушая структуру и состояние породы.
- Строительство.Инженерно-геологические исследования определяют физико-механические свойства грунтов, состояние пород. С помощью колонковой технологии можно точно установить глубину залегания грунтовых вод и взять пробы воды для оценки её воздействия на бетон.
Колонковое бурение дает керн — образец грунта или смежных слоев земли. Керн сохраняет естественную структуру, что помогает провести комплексный анализ породы. Бурение колонковой трубой позволяет точно установить глубину залегания породы для исследования.
Колонковый бур значительно упрощает и ускоряет строительные процессы. В сделанное колонковым буром отверстие просто забивается свая или монтируется готовая железобетонная конструкция. С помощью колонкового бурения возможно создание цилиндрических отверстий в кирпичных и бетонных конструкциях.
Технология проведения работ и оборудование
Существуют два способа применения колонкового бура: с подачей жидкости на забой и сухая буровая операция без бурового раствора.
Бурение без бурового раствора допустимо, если несвязные грунты содержат достаточное количество естественной влаги для проходки и извлечения. При работах по текучепластичным, мягкопластичным и тугоппластичным суглинкам/глинам, твердым и пластичным супесям воду в ствол выработки не подают.
При разбуривании скальных и полускальных пород жидкость необходима. Без неё углубление выполняется дольше, а риск поломки коронок увеличивается, делая сухую добычу ресурсами менее выгодной.
В процессе бурения с использованием бурового раствора скорость погружения заметно увеличивается.
Данный метод чаще всего применяют при бурении глубоких скважин. Благодаря этому, можно выполнять работы в кратчайшие сроки и минимизировать риск повреждения долота.
При разработке скважин в рыхлых несвязных грунтах, при отсутствии задачи по сбору керна, на забой подают воду под высоким напором. Струя воды промывает забой, освобождая ствол выработки от разрушенного грунта.
Принцип колонковой методики
При колонковом бурении главное значение имеет разрушающая режущая деталь, размещённая на подошве колонковой трубы. Её называют коронкой. Для проходки скальных пород применяют специфические коронки с алмазными резцами.
Алмазная коронка позволяет буру проходить на большую глубину при создании водозаборных выработок в известняке. Это особенно важно при разработке скважин, заложенных в коренные породы, где в многовековых трещинах скапливается самая чистая подземная вода.
С помощью коронки на высоких оборотах разрезают горную породу. Скорость вращения бура регулируется в зависимости от плотности разрабатываемого грунта. Коронка «вырезает» грунт только по краю цилиндра, центральная часть которого продавливается в колонковую трубу.
Буровой снаряд для извлечения керна поднимают на поверхность. Струя воздуха, подаваемая в верхнюю часть трубы, выдувает захваченный грунт из колонкового бура. Простукивание снаряда кувалдой ускоряет процесс выдува.
Колонковые буры эффективнее матричных и шарошечных при бурении прочных пород из-за большой скорости вращения, которая уменьшает нагрузку на разработку.
Кроме того, долота полностью разрушают горную породу, которую затем нужно будет удалять с помощью желонки или промывать водой под давлением. В результате придется дважды, а то и трижды проходить один и тот же участок: сначала разрушать, потом очищать. Технология колонковой буровой установки позволяет пройти и расчистить забой за один раз.
Станки и буровые установки
Выбор инструмента зависит от цели скважины и её диаметра. Широкое применение колонкового метода обуславливает выпуск буровых комплексов на глобальном уровне. Тяжелая техника, такая как тракторы, грузовики и вездеходы, применяется для установок, используемых в разведочном бурении.
Бурение чаще всего осуществляют с помощью оборудования, устанавливаемого на грузовики МАЗ, КАМАЗ, Урал. Существуют также варианты монтажа на более легкие машины, применяемые для бурения скважин на воду в индивидуальном домостроении.
При ручном вращательном буренииКолонковую трубу заменяет исторический предшественник — стакан. Этот снаряд представляет собой укороченную колонковую трубу с заостренной кромкой на подошве. Стакан вручную или с помощью мотобура закручивают в землю и извлекают из него всё, что попало.
Оборудование для проходки и обустройства скважин
Для выполнения колонкового бурения требуется оснащение, способное осуществлять работы на значительной глубине и добывать разные виды горных пород. В процессе работ нужно регулярно поднимать на поверхность фрагменты породы, разрыхлённые снарядами.
Стандартный набор бурового инструмента
Для качественного выполнения работ требуется:
- Колонковые снаряды.Используется для создания как горизонтальных, так и вертикальных выработок. Стандартными колонковыми трубами можно проводить бурение под углом до 45 градусов. Тонкостенные колонковые снаряды применяют только для горизонтального бестраншейного бурения при прокладке коммуникаций.
- Коронки.Колонковая труба снабжена инструментом для разрушения породы, облегчающим выемку керна из горной массы. Для бурения осадочных связных и несвязных грунтов применяются латунные коронки. Проходка скальных пород, формирование отверстий в бетоне, асфальте, кирпичной стене осуществляется с помощью твердосплавных коронок с алмазными резцами.
- Стальные обсадные трубы.Для обсадки выработки — формирования ствола скважины во время ее заглубления требуются обсадные трубы. Диаметр их соответствует диаметру скважины. Выбор обсадки для водозабора осуществляется заранее, исходя из диаметра колонковой трубы и насоса, предназначенного для эксплуатации в скважине.
- Штанги.Это скручиваемые между собой тонкие трубы, предназначенные для увеличения длины буровой колонны. К верхней части колонной трубы последовательно прикрепляются эти трубы для передачи вращательного движения на большую глубину, чем высота снаряда.
Глубина выработки равна сумме высоты колонновой трубы и высоте буровых штанг. - Переводники.Для соединения резьбовых элементов различного диаметра, установленных на буровых штангах, требуются переходные детали. вращателях, промывочных сальниках и других комплектующих.
- Промывочные пробки и сальники.С помощью этой техники происходит подъем разрушенного грунта на поверхность, если не требуется извлечение цельного керна. В таком случае на забой поступает вода, которая промывает под напором разрушенный грунт наружу.
- Долота.Его применяют для увеличения глубины скважин в сложных участках, где работать колонковым буром затруднительно. В процессе использования долота возможно перейти от вращательного к ударно-канатному способу бурения.
Инструмент предназначен для бурения с использованием колонковой технологии. При необходимости, в зависимости от сложности работ, могут понадобиться дополнительные инструменты и оборудование.
Для подъёма колоннового снаряда на поверхность колонну штанг за штангю раскручивают.
Особенности конструкции колонковой трубы
Конструкционная особенность снарядаКолонковое бурение обеспечивает наибольшую сохранность керна благодаря кольцевому расположению вокруг свободного прохода. Главной его характеристикой считают коэффициент. керноотбора.Оно выражается как отношение диаметра сердечника к внешнему диаметру инструмента.
Стандартизированный инструмент для колонкового бурения отличается главным образом диаметром. По конструкции колонковые трубы разделяют на одинарные и двойные. Одинарная труба, предназначенная для работы в обычных геологических условиях, хорошо подходит для разработки скважин для водозабора.
Двойной инструмент без вращающейся внутренней трубы используют только при геологоразведке для извлечения образцов пород, хрупких под действием различных факторов. Он позволяет взять пробу в естественном сложении с природным соотношением полезных ископаемых и пустой породы.
Все колонковые трубы предназначены для продувки, подачи бурового раствора на забой и промывки скважины. Верхняя часть каждой трубы имеет технологическое отверстие для закачки воды или потока воздуха.
Специфика режущей части снаряда
Каждая коронка – это кольцо с резьбой сверху для крепления к колонковой трубе и резцами снизу. Резцы могут быть цельнолитыми или приваривать их к режущему металодеталю.
При сверлении колонками применяют такие коронки:
- Твердосплавные – мелкорезцовые, ребристые.
- Алмазные – импрегнированные и мелкоалмазные.
Твердосплавные режущие элементы применяются для бурения мягких грунтов. С их помощью осуществляется бурение всех видов глинистых пород независимо от консистенции, полускальных пород, маловлажных и влажных песков плотного и средней плотности сложения. Для проходки по песчаникам и мергелям используют коронки с вольфрам-кобальтовыми резцами.
МелкорезцовыеКоронками можно бурить породы средней твердости, которые не очень прочные. абразивностиРезцы имеют восьмигранное или квадратное сечение. Разное положение резцов по высоте создаёт ступенчатость забоя, преимущество которого было описано ранее.
Ребристые Коронки служат для работы с прочными горными породами среднего уровня. абразивностиИнструменты для обточки этих коронок имеют форму стального цилиндра или призма. штабикаС применением твердосплавной вставки эффективность работы сохраняется и при износе коронки.
Алмазные резцы, установленные на коронках, применяются для бурения твердых горных пород. абразивности.
Количество ребер зависит от конструкции коронки и её диаметра: от трёх до шести. Ускорить процесс разрушения породы можно смещением ребер вверх по отношению к торцу коронки. Это создает ступенчатый забой, упрощая движение промывочной жидкости.
Трубы для обсаживания ствола скважины
Трубы стальные колонковые и обсадные изготовляются по ГОСТу 51682-2000. В геологоразведке и инженерной геологии их применяют для предотвращения обрушения грунта на забой, что мешает определить глубину смены одного геологического слоя другим.
В обустройстве водозаборных выработокОбсадные трубы составляют стенки скважины. В собранную из обсадных труб колонну погружают эксплуатационную колонну, которую чаще всего собирают из пластика. Эксплуатационная колонна оборудована фильтром для удерживания песчинок и мелкого гравия при откачке воды.
Обсадные трубы с ниппельным соединением наиболее востребованы. Трубы снабжены внутренней резьбой с одной стороны и наружной – с другой. Собирают ствол выработки из труб с резьбой просто и быстро.
Для сварных соединений существуют обсадные трубы, но в частном доме их не применяют из-за сложности монтажа колонны.
Обсадные и колонковые трубы производят из стали марки 45 с группой прочности «К». Для увеличения стойкости к истиранию концы труб подвергают закалке. В зависимости от применяемых буровых установок и диаметров… погружного насосаВ устройствах частных водозаборных выработок применяют трубы диаметром от ста сот миллиметров до двухсот миллиметров.
Этапы колонкового бурения
Перед началом работ проанализируйте кадастровый план и подготовите рабочую поверхность. Обеспечьте свободный доступ к месту бурения как для буровой установки, так и для машины с промывочной жидкостью.
Следующим шагом станет вырытие ямы объемом не менее 2 кубометров, что исключит необходимость в дополнительном резервуаре. Яма предназначена для отведения грунтовых вод и использованной промывочной жидкости. Для установки основной части ствола потребуется пробить грунт.
Затем происходит стыковка отобранной коронки с трубкой буровой колонны и подбор. обсадных трубУглубление ровно усилит установку. Крепление должно быть прочным, затем запускают буровой станок.
В процессе углубления колонкового бура его периодически поднимают на поверхность и очищают от грунта, собранного во время бурения. Затем освобождённый от керна бур опускают обратно в скважину для продолжения работы.
Чтобы подняться наверх, колонну бурильных труб из колонкового снаряда и штанг разбирают по частям: сначала отсоединяют одну штангу, потом другую, пока не извлекут из ствола колонковую трубу.
Для частников самым подходящим способом разработки скважины считается колонковое бурение с промывкой. В этом случае не требуется брать образцы. Важно быстро сформировать ствола и очистить его от шлама. Вместе с этим производится подготовка выработки к предстоящей эксплуатации.
Для промывки подойдёт любая вода: из пруда или реки. Бурение возможно и без воды, если бурятся скважины на песок. Тогда обычно хватает двух ведер воды для охлаждения бурового снаряда.
При бурении в рыхлых, маловодных песках для прочности стенок отверстия рабочий раствор дополняют жидким стеклом или глинистой массой. При пересечении буром горизонта с нестабильной структурой укрепление стенок скважины обсадными трубами целесообразно.
Технологические особенности процесса
При увеличении глубины бурения регулируют частоту вращения бура. Буры легко преодолевают слои осадочных горных пород на низких оборотах, но при проходе коренных скальных пород необходимо увеличить частоту вращения. Колонковой способ бурения позволяет проходил пласты различного состава и твердости.
Буровые установки должны размещаться на ровных горизонтальных площадках. Угол проходки можно изменять при диаметре разрабатываемого отверстия до одного метра. После этого вертикальность скважины поддерживается обсадной колонной.
Обсадные трубы пригодны к повторному использованию при условии извлечения их из выработки сразу же после проходки. Колонковая труба предназначена для многократного использования, в отличие от коронок. В осадочном горизонте требуется не менее двух, а иногда и более коронок. Число стертых коронок при бурении скважины на известняк предсказать точно невозможно.
Буровую установку возможно смонтировать на автотехнику с большой грузоподъемностью или на гусеничную технику. спецтехникуПри выполнении работ в труднодоступной местности можно применять мобильную технику для бурения скважин на воду методом колонкового способа.
Достоинства и недостатки колонкового метода
Точечное действие коронки по радиусу обеспечивает аккуратное извлечение керна на поверхность. Технология подходит для бурения горных пород до… XIIРазновидности могут применяться как по отношению друг к другу под прямым углом, так и под некоторым другим углом.
Колонковый метод характеризуется высокой производительностью и скоростью бурения.
Кроме того, можно выделить такие преимущества:
- При использовании промывочной жидкости или технической воды объем бурения достигает 85%.
- Введение рабочего раствора активных эмульсий позволяет сохранять стенки скважины в исходном виде.
- Уменьшение осевых нагрузок из-за неравномерного разрушения породы ведет к сокращению энергозатрат.
- Метод применим ко всем видам пород, включая базальтовые и гранитные.
- С помощью сборного мобильного станка можно выполнять работы в труднодоступных местах.
Помимо преимуществ, столбчатое бурение скважин обладает и недостатками.
- В трещиноватых породах при бурении часто застревает керн, требуя извлечения трубы для удаления.
- Из-за перегрева и прихватывания при прохождении твердых пород коронка быстро тупится. Для избегания этого применяют охлаждающую жидкость и уменьшают скорость подачи, что приводит к снижению скорости бурения.
- Небольшие диаметры шурфов (до 200 мм) ограничивают применение сильных оборудований. погружные насосы.
При бурении скважин для получения воды, если использовать глинистый раствор для проходки пластов, существует высокий риск залегания водоносных горизонтов.
Выводы и полезное видео по теме
Видео 1. Идёт начальная стадия строительства скважины методом бурения колонковой установкой.
Видео 2. Бурение скважины методом колонкового бурения в граните.
Перед началом колонкового бурения скважины необходимо провести экономический расчёт. Соблюдение норм безопасности и правил эксплуатации техники минимизирует риск поломки, повышая эффективность работы, скорость бурения и снижая экономические издержки.
Знаете что-то особенное о колонках? Хотите поделиться этой информацией? Внизу есть форма для комментариев, где можно задать вопросы, оставить свои мысли и фотографии по теме статьи.