Колонковое бурение скважин: технология и нюансы проведения работ

Колонковое бурение скважин

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.

Преимущества и недостатки технологии

Бурение скважин роторным способом — востребованный и прогрессивный метод. Он является разновидностью вращательной технологии. Включенный электрический двигатель (или газотурбинный агрегат) с помощью горизонтального вала приводит в действие ротор с рабочим механизмом. После этого скважина промывается и очищается сжатым воздухом, поступающим из компрессора.

предельно сжатые сроки проведения работ;
возможность применения на любом участке;
небольшие габариты и вес конструкции (делает возможным перемещать ее в любое место без специальной техники);
низкая себестоимость монтажа труб;
высокая производительность скважины (будет не только снабжать водой жилой дом, но и использоваться для наполнения бассейна, полива клумб, огорода и прочих технических нужд);
стабильная подача воды без перебоев;
продолжительный эксплуатационный период сооружения;
отличное качество питьевой воды.

К недостаткам технологии относятся:

невозможность осуществления работ в зимнее время при наличии замерзшего грунта;
слишком большие затраты при бурении глинистых почв (обязательно наличие качественной глины и чистой воды);
применение обсадных труб, предназначенных для определения водоносной жилы;
высокая стоимость.

Технологические особенности процесса

В процессе углубления возможна регулировка частоты вращения бура. Нужно отметить, что слои осадочных горных пород бур легко преодолевает на низких оборотах. А вот при прохождении коренных скальных пород требуется повышение частоты вращения. При колонковом способе бурения можно проходить пласты различного состава и любой твердости.

Необходимо учитывать тот факт, что буровая установка должна располагаться на подготовленной выровненной горизонтальной площадке. Угол проходки можно регулировать в случае, если диаметр разрабатываемого отверстия скважины не превышает 1 метра. Затем вертикальность выработки поддерживается обсадной колонной.

Обсадные трубы можно использовать повторно, если сразу после проходки извлечь их из выработки. Колонковая труба – снаряд многоразового использования, чего нельзя сказать о коронках. Для бурения в осадочном горизонте их требуется не меньше двух, а то и более. При сооружении скважины на известняк предсказать число стертых коронок с точностью невозможно.

Чтобы продлить срок службы алмазной коронки после ее установки или замены дно скважины необходимо обработать долотом. Эта мера значительно увеличит скорость проходки

Буровую установку можно монтировать на автомобильную технику с высокой грузоподъемностью либо на гусеничную спецтехнику в случае проведения работ в условиях сложного рельефа. Более легкую мобильную технику можно использовать при бурении колонковым способом скважин на воду.

Механические методы бурения водоносных скважин

Устройство артезианской скважины.

Механическое бурение производится при помощи применения насадок, сделанных из твердых сплавов. Их располагают на буровом снаряде. Также для этого понадобится тяжелая техника.

Скважинам, выполненным данным путем, свойственна высокая производительность и отличное качество воды. Такая категория способа бурения источников для добычи воды в свою очередь подразделяется на подтипы.

Так, к механическим методам можно отнести следующие основные 3 вида, которые применяются в современной инженерной гидрогеологии:

механический роторный подтип;
колонковый подтип;
шнековый подтип.

Особенности колонкового способа

Фото алмазной коронки.

Колонковое бурение скважин считается неплохим эффективным вариантом из категории механического способа, при котором выработанный грунт представляет собой целостный стержень под названием «керн». Данный метод целесообразно применять для забоя скважин с большим показателем глубины (до 1000 м) на участках, где преобладают скальные породы.

Технология колонкового бурения скважин выполняется путем вращения бурового снаряда, у которого имеется высокопрочная насадка, имеющая вид алмазной коронки.

Помимо этих достоинств у такого метода есть еще несколько немаловажных плюсов:

отличная скорость проходимости бура;
колонковым буровым установкам свойственна компактность и хорошая маневренность;
за счет того, что разрушение породы происходит не сплошным методом забоя, а кольцевым способом, повышается КПД бурения.

К минусам данного метода можно отнести то, что при помощи него возможно делать скважины только с небольшим (до 15-16 см) диаметром. Также при их формировании именно таким путем износ буровых коронок происходит довольно-таки быстро.

Особенности механического роторного способа

Фото механического роторного метода.

Технология роторного бурения скважин включает в себя применение долота, которое закрепляется на буровом снаряде, способного выполнять вращение. Он в свою очередь приводится в действие при помощи специально встроенного приспособления под названием «ротор».

Данный метод бурения считается одним из самых производительных, так как позволяет достигать глубинных водоносных горизонтов, где располагается чистейшая вода без различных соединений, в том числе и железа. Также бурение скважин роторным способом позволяет достигнуть высокого стабильного дебита источника практически на любых грунтах.

Пожалуй, к недостаткам такого метода можно отнести высокий расход и глины, и воды, которые нужны для изготовления промывочной смеси, а также то, что при непосредственно самой промывке ствола происходит попадание элементов глины в водоносный горизонт. Все это, конечно же, делает этот способ формирования скважины более трудоемким.

Долото при механическом роторном методе обязательно следует охлаждать при помощи воды.

Кроме того, в зимнее время возникают определенные сложности при выборе данного способа. Это объяснимо тем, что в этом случае понадобится подогревать промывочную смесь, что сделать в таких объемах совсем непросто.

Особенности шнекового способа

Устройство инструмента для шнекового бурения.

Такой метод считается самым оптимальным для создания неглубоких источников на участках, где располагаются сыпучие грунты. С использованием шнекового варианта бурения, работы по формированию скважины для добычи питьевой воды выполняются достаточно быстро.

Причем, данный способ не требует найма высококвалифицированных рабочих и использования тяжелой специальной техники. Вот почему его зачастую выбирают для создания водоносных источников именно в частном земельном владении.

Все работы таким типом бурения выполняются с применением шнека. Это приспособление представляет собой стержень с лопастями и резцами. При помощи этих элементов и происходит удаление пород из скважинного канала.

Буровая установка для шнекового метода.

У шнекового метода есть дополнительные следующие преимущества:

обеспечение большой механической скорости;
в процессе работ очистка забоя скважины происходит непрерывно, то есть параллельно процессу разрушения пород;
есть возможность одновременно с бурением проделывать и укладывать стенки скважины из бетона или стали, которые необходимы для удержания породы в целях предотвращения ее обрушения.

1 Область применения и особенности

Данный способ характеризуется тем, что грунт разрушается по кругу, очерчивая контуры диаметра будущей скважины. Когда осуществляется бурение колонками, внутренняя часть отверстия остаётся целой. Этот керн в последующем извлекается на поверхность.

Давление на грунт идет с помощью специальных коронок — пустотелых цилиндров со специальными резцами на одной из сторон. Эти резцы и выполняют основную работу по бурению. Они вгрызаются в породу, в то время как пустотелая часть попросту заполняется грунтом, что отсекается от общей матрицы.

Стоит заметить, что с помощью колонкового бурения можно разрабатывать не только горные породы, но и выполнять бурение на строительстве. Например, алмазные способы бурения коронками применяются для создания отверстий в монолитных железобетонных конструкциях. Более того, этот способ на стройке считается самым приоритетным.

Станок колонкового бурения устанавливается там, где необходимо проведение разведывательных работ. Он предназначен для получения цельных пород.

Рассматриваемый способ обладает следующими особенностями:

Колонки для скважины способны извлекать из отверстия керны – целую часть грунта.
Буровые установки колонкового бурения рассчитаны на работу под различными углами к поверхности.
Коронки колонкового бурения способны обрабатывать грунты различной степени твердости.
Буровые станки колонкового бурения проделывают глубокие скважины, которые отличаются относительно небольшим диаметром.
Станки колонкового бурения имеют относительно небольшой вес, что обусловливает их маневренность.

1.1 Принцип и технология работы

Технология колонкового бурения применяется для исследовательских работ. Для этих целей подойдёт классические автомобильные шасси на которое устанавливают бурильную установку, но на сложных рельефах могут использоваться и специальные машины. Например, устройства на гусеничном приводе или даже специальные системы, которые используют исключительно для бурения.

Станок колонкового бурения работает на высоких оборотах с момента запуска и до завершения технологического процесса. Это обусловливает тот факт, что колонки для скважины быстро изнашиваются под воздействием высоких нагрузок. Впрочем, скорость вращения можно регулировать, например, если надо пройти участок с мягкими породами, что склонны к осыпанию.

Для продления её жизнеспособности применяются специальные устройства, которые снижают вибрационные действия. Колонковый способ предполагает обязательную процедуру промывки. Буровой станок колонкового бурения использует для этих целей воду или специальные растворы, которые способствуют защите скважины от разрушений и обвалов.

Алмазное устройство осуществляет бурение только по краю. Внутренняя порода заполняет ствол шнека и поднимается на поверхность. Колонковый способ предполагает, что все используемые в работе инструменты соответствуют соосности формируемой скважины.

Буровой станок колонкового бурения способен работать с высокопрочными породами. Более того, в таких условиях он даже производительнее стандартных матричных или шарошечных долот, так как прилагает меньше усилий для разработки аккуратных отверстий в грунте.

Для этих целей необходим специальный твердосплавный инструмент. Алмазное породоразрушающее устройство подлежит замене или восстановлению в случае потери своих физических кондиций. Новую коронку перед использованием следует обработать бурильным долотом. В некоторых случаях достаточно просто заменить кольцо с резцами на коронке.

1.2 Оборудование для колонкового бурения

Как вы сами понимаете, в работе придется применять различного рода оборудование. Для данного вида работ применяют следующий инструмент:

Колонковые снаряды, которые бывают стандартными и тонкостенными. Первые рассчитаны на вертикальные работы вниз и вверх по горизонту, а также для горизонтального бурения до 45 градусов. Вторые используются исключительно для горизонтального бурения.
Алмазные коронки представляют собой породоразрушающий инструмент, которым оборудуется буровая установка для колонкового бурения. Эти устройства с одинаковым успехом справляются и с твердыми, и с рыхлыми породами.
Штанги и стальные обсадные трубы, которые необходимы для формирования прочной внутренней поверхности скважины.
Переходники применяются для стыкования резьбовых соединений, в том числе на буровых штангах, комплектующих, промывочных сальниках, вращателях.
Промывочные сальники пробки, которые обеспечивают подъём керна из скважины.
Колонковые долота служат для углубления скважинного отверстия.

Способы самостоятельного бурения

На сегодняшний день мастерами-самоучками на дому разработано несколько способов бурения скважин на воду вручную. Рассмотрим самые действенные из них.

Ручной шнековый метод

К способам самостоятельного бурения относят бурение шнеком, которое пользуется популярностью за счет доступности выполнения. Благодаря шнеку удается пробурить неглубокую скважину (до 40 м), воды из которой хватит на целый дом.

Шнековое бурение скважин основано на применении винтообразного стержня (шнека), на который крепятся стальные лопасти с буровым наконечником. Рабочие внедряют шнек в почву подобно штопору. Постепенно углубляясь, винтообразный стержень разрушает многочисленные почвенные горизонты. Отработанная земля выносится наверх металлическими лопастями.

Различают следующие разновидности шнеков:

конструкции с углом от 30 до 60 градусов;
стержни с режущими лопастями.

Первый вид шнеков удобнее для использования, так как лопасти с меньшим углом препятствуют опаданию измельченного грунта. В результате не происходит засорения скважины.

Работа малогабаритных шнековых конструкций схожа с работой ручного бура, но в движение их приводит электродвигатель.

Технология колонкового бурения

Колонковая технология бурения скважины отличается быстротой выполнения работ. Благодаря специальному оборудованию (похожему на трубу с колонкой) удается пробурить не один метр почвенного горизонта. 16-ти сантиметровая в диаметре труба способна быстро внедряться внутрь, подтягивая за собой специальный шланг.

Верх такой трубы имеет узел крепления, на который в процессе погружения наращивают полутораметровые штанги. Поэтапно наращивая технологическую колонну, получают необходимой глубины скважину.

Прочный металлический сплав составляет основу коронки с заточенными краями для резки плотных вкраплений. В зависимости от физико-механического состава почвенного слоя выбирают соответствующие размеры и формы коронок. При вращении трубы в почве формируется небольшое отверстие.

Долото помогает разбить на осколки структуру сверхтвердых скальных пород, после чего погружают трубу с коронкой.

Установка после бурения скважины колонковым способом обсадных труб укрепляет стенки конструкции. Чтобы не допустить поломки прибора, систематически глиняным раствором либо чистой водой заполняют снаряд.

Далее показано, какие инструменты понадобятся для колонкового бурения скважины под воду:

Ударно-канатный способ

Ударно-канатный метод основан на разбивании грунта за счет тяжелого бурового прибора, опущенного с высоты в 200 м. При этом следует использовать специальный буровой инструмент, включающий в себя:

трос с забивным стаканом;
лебедку, прикрепленную к другому краю троса;
треногу.

Благодаря лебедке уменьшается прилагаемая сила, а редуктор с мотором позволяет автоматизировать всю работу. Основу забивного стакана составляет металлическая труба с заточенной кромкой для резки. Такая установка разбивает породы любой твердости. Желонка помогает извлекать рыхлые породы при бурении водоскважины.

Канатно-ударное бурение выглядит как разбивание специальным инструментом почвенного горизонта с удалением режущей желонкой захваченного хлама. Последний поднимается на поверхность. После освобождения стакана от хлама начинают очищать снаряд желонку.

Алгоритм работы выглядит так:

Копка ямы (1×1 м) глубиной около 0,5 м.
Установка в ее центре садового бура с последующим его заглублением до появления влажного песка.
Установка на его место конструкции с обсадными трубами с последующим фиксированием ее в почве кувалдой.
Извлечение желонкой обрушенной обсадки.
Наращивание обсадной трубы соответствующими отрезками с последующим их свинчиванием.

За несколькими ударами на поверхность обязательно поднимают желонку либо стакан для очищения их от грунта. Далее можно увидеть, как происходит бурение скважины под воду ударно-канатным методом:

Ударно-вращательный метод

Бурение скважины данным методом основано на использовании инструмента, способного одновременно выполнять вращение и удары. Благодаря этому работа протекает быстрее и в течение короткого времени удается обустроить необходимое гидротехническое сооружение. Особенно эффективна установка при неоднородности геологии.

Бурение ударно-вращательным методом возможно с задействованием треноги, благодаря которой погружение и извлечение бура происходит быстрее. Методика незаменима на рыхлых почвенных горизонтах, а также при извлечении глинистых включений – суглинков с супесями.

Что такое шнековое бурение

Суть процесса заключается в разрушении долотом породы, с последующей доставкой ее на поверхность с помощью винта шнека, который вращается с большой частотой. Такой метод используется при наличии породы невысокой твердости и без промывки скважины.

Особенности процесса:

При шнековом бурении обеспечивается большая скорость работ без перемалывания и истирания уже отделенной от забоя породы.
Забой очищается непрерывно, одновременно с разрушением породы.
При отделении от забоя порода поступает на винт-шнек, который вращается с большой скоростью. Возникающие при этом центробежные силы прижимают ее к стенкам, а постоянно движущаяся винтовая лента поднимает породу вверх. При этом часть породы ребордой ленты втирается в стенки.
При таком процессе забой хорошо очищается от разрушенной породы. Это обеспечивает большие скорости бурения до IV категории пород по буримости.
Большая механическая скорость обеспечивается при прохождении слабых цементированных отложений мелкой гальки и щебня. Связано это с тем, что последние не разрушаются, а выносятся на поверхность целиком.
Шнековый транспортёр плохо работает в вязких глинах, налипающих на шнеки и препятствующих транспортировке выбуренной породы.
Долото и шнеки охлаждаются за счет их быстрого заглубления в мягкие породы с постоянно изменяющейся температурой.
Шнековое бурение можно производить на глубину от 1,5 до 80 метров.
Используется такой процесс для проходки поисковых и инженерно-геологических скважин, при гидрогеологических исследованиях в сочетании с другими методами.

Преимущества бурения шнеком в мягких породах:

Высокая скорость углубления.
Транспортировка породы осуществляется без подъема инструмента, непрерывно.
Бурение можно производить без промывки.
Сравнительно малая глубина бурения.
Вращение тяжелой шнековой колонны требует большей мощности.

В конструкцию инструмента для бурения шнеками входят:

Инструмент для бурения скважин

Наибольшей популярностью пользуются двух- и трехлопастные долота. У трехлопастного долота корпус выполнен методом литья из стали с зубчатыми лопастями, имеющими наклон по винтовой линии.

Чем отличаются роторное и шнековое бурение скважин

Не следует путать эти виды бурения. Рабочий орган установки для роторного бурения – тоже металлическая колонна с долотом на конце. Но порода при погружении инструмента не транспортируется наверх автоматически, а вымывается глинистым раствором или выдувается. Различия методов:

глубина бурения шнеком – от полутора до 120 метров, самая глубокая роторная скважина – 9 км;
условия работы. Поскольку роторная технология задействует раствор, есть ограничения по внешней температуре. Рекомендуемая температура при бурении шнеком – до минус 20. Это популярный способ при бурении зимой, а ротором лучше работать в теплое время;
в отношении грунта роторный метод почти универсален, а шнек рекомендован для сухих мягких почв;
скорость шнекового бурения получается выше, поскольку можно работать одним инструментом безостановочно. При роторном часто меняют насадки;
стоимость роторного бурения выше за счет большей сложности технологии: вымывание, выдувание, монтаж осадочных колец.

Из-за этих различий роторный и шнековый метод применяются в разных ситуациях:

роторный – преимущественно при устройстве артезианских скважин, на твердых грунтах, при глубинной разведке;
шнековый – при устройстве скважин малой глубины: на воду в районах с неглубоким залеганием водоносного слоя, на мягком грунте, в зимний период; для фундаментов; для инженерно-геологических исследований.

Технология проведения работ и оборудование

Известны два метода использования колонкового бура: работа с подачей жидкости на забой или на сухую, то есть без бурового раствора.

Бурение без использования бурового раствора применяется в случае, если несвязные грунты пропитаны естественной влагой в достаточном для проходки и извлечения количестве. Воду также не подают в ствол выработки при проходке по текучепластичным, мягкопластичным и тугоппластичным суглинкам/глинам, твердым и пластичным супесям.

Жидкость в обязательном порядке применяют при разбуривании скальных и полускальных горных пород. При отсутствии воды в этом случае углубление происходит значительно медленнее. Помимо этого существенно возрастает вероятность преждевременного выхода из строя коронки, в связи с чем бурение на сухую считается более затратным.

При бурении с буровым раствором скорость углубления существенно возрастает. Чаще всего данный способ применяется при бурении скважин значительной глубины. Это позволяет выполнить работы в кратчайшие сроки с минимальным риском повреждения коронки.

Еще воду под высоким напором подают на забой в процессе разработки скважины в рыхлых несвязных грунтах, если отбор керна не является задачей. Струей воды в данном случае просто промывают забой, освобождая ствол выработки от разрушенного грунта.

Принцип колонковой методики

Основным элементом при колонковом бурении является разрушающая режущая деталь, установленная на подошву колонковой трубы. Называют ее коронкой. Для проходки скальных пород применяют особые коронки, оснащенные алмазными резцами.

Именно алмазная коронка обеспечивает практически беспрепятственное прохождение бура на большую глубину при проходке водозаборных выработок на известняк. То есть при разработке скважин, заглубленных в коренные породы, в трещинах которых в результате многовековой конденсации формировались запасы наиболее чистой подземной воды.

Горная порода разрезается с помощью коронки, вращающейся на высоких оборотах. Скорость вращения бура можно регулировать в зависимости от плотности разрабатываемого грунта. Коронка “вырезает” грунт только по краю своеобразного цилиндра, центральная часть которого продавливается в колонковую трубу.

Для извлечения керна буровой снаряд поднимают на поверхность. Захваченный им грунт буквально выдувают из колонкового бура струей воздуха, поданной в верхнюю часть трубы. Процесс выдува ускоряют, простукивая снаряд кувалдой.

Колонковые буры при прохождении прочных пород обладают большей производительностью, чем матричные и шарошечные долота. Это обусловлено высокой скоростью вращения бура, благодаря чему снижается степень прикладываемых усилий на разработку.

Вдобавок, долота полностью разрушают породу, которую нужно будет “вычерпывать” желонкой или подавать воду с напором для промывки забоя. По сути придется дважды, а то и трижды проходить один и тот же отрезок: сначала разрушать, затем расчищать. Колонковая технология позволяет пройти и расчистить забой за один прием.

Станки и буровые установки

Выбор станка или буровой установки определяется назначением скважины и ее диаметром. Популярность способа колонкового бурения обуславливает производство буровых установок и станков во всем мире. Тяжелые трактора, грузовики и вездеходы подходят для установок, предназначенных для разведочного бурения.

Чаще всего бурильное оборудование монтируется на классические автомобили марок МАЗ, КАМАЗ, Урал. Однако есть варианты монтажа и на более легкую технику, которая применяется для бурения скважин на воду в частном строительстве.

При ручном вращательном бурении колонковую трубу заменяет его исторический предшественник – стакан. Этот снаряд представляет собой укороченный вариант колонковой трубы с заостренной кромкой на подошве. Стакан вручную или с использованием мотобура закручивают в землю и извлекают на поверхность все, что в него набилось.

Плюсы и минусы колонкового бурения

К положительным моментам процесса относятся:

Точечное действие коронки, вырезающей породу по своему радиусу, в отличие от роторного долота, оное во время прохода разрушает грунт.
Высокая производительность способа.
Возможность посредством колонкового бурения скважин изучить подземное строение грунтов в зоне выполнения работ.
Применяя этот метод, проходят восстающие, многозабойные, наклонные скважины; в любых пластах, в том числе базальтовых и гранитных.
Частота вращения бура регулируется: на мягком грунте довольно небольших оборотов, твердые породы требуют более высоких.
Сравнительно высокая скорость проходки, снижающая себестоимость объекта, при пониженной энергоемкости процесса.

Как в любом процессе, колонковое бурение имеет некоторые недостатки:

В тех процессах, когда применяют глинистый раствор, есть риск заиливания водоносного слоя продуктами промывки.
Быстрое изнашивание инструмента.
Сухое бурение – слишком затратное.

Во время работы с глубинными пластами эти факторы остаются решающими. Стоимость оборудования вместе с ценой грунтовых работ составляет солидную цифру.

Процесс колонкового бурения проходит в несколько этапов, оборудование подлежит регулярному осмотру на предмет повреждений и сколов

Мастера проходят регулярную учебу по технике безопасности, такая мера предосторожности существенно снижает процент повреждений

Видео по теме: Технология бурения скважин

Подборка вопросов

Михаил, Липецк — Какие диски для резки металла использовать?
Иван, Москва — Какой ГОСТ металлопроката листовой стали?
Максим, Тверь — Какие стеллажи для хранения металлопроката лучше?
Владимир, Новосибирск — Что значит ультразвуковая обработка металлов без применения абразивных веществ?
Валерий, Москва — Как выковать нож из подшипника своими руками?
Станислав, Воронеж — Какое оборудование используют для производства воздуховодов из оцинкованной стали?