Колонковое бурение скважин: технологии и ключевые аспекты выполнения работ

Одним из самых эффективных и экономически выгодных методов создания горных выработок является колонковое бурение скважин. Он широко используется как в разведке месторождений, так и в области инженерной геологии. Этот способ также представляет собой простой и быстрый метод для доступа к подземным водам, что делает его идеальным для организации систем водоснабжения.

В данной статье мы подробно расскажем о специфике колонкового бурения, необходимом оборудовании и особенностях его применения.

Области применения колонкового бурения

Колонковое бурение предоставляет возможность максимально точно определять глубину залегания различных грунтовых слоев и уровень подземных вод.

Этот метод находит широкое применение в следующих отраслях:

• Водоснабжение в частном и промышленном секторах. Колонковое бурение успешно используется для создания скважин для индивидуального водоснабжения, а также для организации водозабора для целых населенных пунктов и районов городов благодаря своей способности достигать значительных глубин. Колонковый инструмент может эффективно извлекать почти все виды разрушенных пород, кроме водонасыщенных и рыхлых грунтов, таких как пески и гравии;
• Геологоразведка в горнодобывающей отрасли. При бурении горных пород этот метод обеспечивает точечное воздействие на грунт, так как выемка происходит радиально, позволяя извлекать целые массивы без нарушения их структуры;
• Строительство. Колонковая буровая технология используется для проведения инженерно-геологических исследований, направленных на изучение физических и механических характеристик грунтов. Она позволяет точно определить уровень подземных вод и отобрать пробу для анализа их воздействия на бетон.

В результате колонкового бурения получается керн — цилиндрический стержень, состоящий из извлеченного грунта или поверхностного слоя. Отметим, что структурная целостность керна позволяет проводить детальный анализ исследуемого материала. Бурение с применением колонковой трубы обеспечивает высокую точность в определении глубины залегания пород.

Колонковое бурение скважин гарантирует сохранность керна, что улучшает качество исследования породы. Совершенствуется также процесс очистки забоя от разрушенных пород.

Использование колонкового бура в строительстве значительно упрощает и ускоряет работы. В подготовленный колонковым бурением бункер легко устанавливаются сваи или монтируются готовые железобетонные конструкции. Эта технология позволяет осуществлять цилиндрические выемки и в стенах из кирпича и бетона.

Технологические процессы и оборудование

Существует два специализированных подхода к использованию колонкового бура: бурение с применением жидкости на забое или же с сухим способом, который осуществляется без бурового раствора.

Метод без бурового раствора применяется в случаях, когда сыпучие грунты достаточно увлажнены для выполнения бурения. В таких условиях не требуется применять воду, когда выполнение работ осуществляется по течепластичным и тугопластичным глинам и суглинкам, а также прочным и пластичным супесям.

Однако жидкость обязательно используется при бурении скальных и полускальных пород, поскольку отсутствие воды замедляет процесс углубления и увеличивает риск повреждения коронки, что делает такой способ более дорогим.

Технология бурения с использованием промывочной жидкости позволяет значительно продлить срок службы оборудования и эффективно очистить забой от разрушенных пород.

При бурении с раствором скорость работы существенно увеличивается. Этот метод чаще всего применяется для создания глубоких скважин, что позволяет провести все этапы быстро и с минимальным риском для коронки.

Кроме того, в процессе бурения в рыхлых грунтах не требующих извлечения керна, часто используется подача воды под давлением, позволяющая очищать забой от разрушенного материала.

Принципы колонкового бурения

Ключевым элементом в колонковом бурении является режущий инструмент, известный как коронка, устанавливаемая на нижней части колонковой трубы. Для работы с твердыми породами используются специальные коронки с алмазными резцами.

Коронки представляют собой сменные режущие элементы, которые монтируются на нижней части колонковой трубы и требуют регулярной замены в процессе работы.

Алмазные коронки позволяют без труда бурить на большие глубины, особенно при создании водозаборных скважин в известняковых образованиях, где скопилась чистая подземная вода из-за многовековых природных процессов.

Замена коронок осуществляется довольно просто — достаточно отвинтить изношенную деталь и установить новую.

Процесс разрушения породы осуществляется за счет быстрой ротации коронки. Скорость вращения бура может изменяться в зависимости от плотности бурящихся горных пород. Коронка «вырезает» материал по периметру цилиндра, центр которого продавливается в колонковую трубу.

Для подъема керна буровой инструмент поднимается на поверхность. Извлеченный материал выбрасывается из колонкового бура при помощи струи воздуха, подаваемого в верхнюю часть трубы. Процесс выдувания может быть ускорен ударами с помощью кувалды.

По завершении бурения конусообразный кусок породы оказывается внутри колонковой трубы. Для его извлечения буровой инструмент вытаскивается из ствола с последующим разбором колонны бурильных штанг, а керн выдувается и выбивается из трубы.

Колонковые буры, особенно при работе с твердыми породами, демонстрируют более высокую производительность в сравнении с матричными и шарошечными долотами, благодаря высокой скорости вращения, что позволяет снизить физические усилия в процессе разработки.

Кроме того, такие долота полностью разрушивают породу, которую необходимо очищать с помощью желонки или посредством подачи воды. Колонковая технология позволяет выполнять обе операции одновременно и снижет количество проходок.

Технические устройства и установки

Выбор конкретного бурового станка или установки зависит от целей бурения и диаметра скважины. Возрастающий интерес к колонковому бурению приводит к производству разнообразных буровых установок по всему миру. Для разведочных работ чаще всего используются тяжелые тракторы, грузовики и вездеходные машины.

Применение гусеничных тракторов дает возможность выполнять колонковое бурение в условиях сложного рельефа и в районах с плохими дорожными условиями.

Бурильное оборудование часто устанавливают на стандартные автомобили, такие как МАЗ, КАМАЗ и Урал, однако существуют также решения, позволяющие монтировать установки на более легкие машины, которые подходят для частного строительства.

При ручном бурении колонковую трубу заменяет ее предшественник — стакан, который представляет собой укороченный вариант с заостренной кромкой. Этот инструмент закручивается в грунт вручную или с помощью мотобура, и позволяет извлекать материал.

Механизация процесса ручного бурения для неглубоких скважин и создания лунок для установки ограждений и опор ЛЭП осуществляется при помощи бензиновых или электрических двигателей, которые генерируют вращательные движения для шнека или колонковой трубы.

Оборудование для бурения и обустройства скважин

Для осуществления колонкового бурения необходимо использовать соответствующее оборудование, которое будет эффективно работать на различных глубинах и с разными типами горных пород. В процессе работы важно регулярно поднимать на поверхность разрушенный материал.

Стандартный набор инструментария для бурения

Для успешного выполнения бурительных работ требуется следующий набор:

• Колонковые снаряды. Они применяются как для горизонтального бурения, так и для вертикальных работ. Стандартные колонковые трубы позволяют бурить под углом до 45 градусов, в то время как тонкостенные снаряды предназначены лишь для горизонтального бурения без траншей при прокладке коммуникаций.
• Коронки. Это инструменты для разрушения породы, которые устанавливаются на колонковую трубу для облегчения извлечения керна из грунта. Латунные коронки подходят для бурения сыпучих и связных осадочных пород, в то время как твердосплавные коронки с алмазными резцами используются для работы с твердыми породами, а также для создания отверстий в бетоне, асфальте и кирпичных стенах.
• Стальные обсадные трубы. Эти трубы необходимы для обустройства скважин, создавая ствол во время бурения. Их диаметр совпадает с размером скважины, а выбор обсадных труб для водозаборов зависит от диаметра колонковой трубы и насоса, который будет использоваться.
• Штанги. Это узкие трубы, которые соединяются между собой, чтобы увеличить длину буровой колонны. Они прикрепляются к верхней части колонковой трубы, позволяя передавать вращательное движение на глубинах, превышающих высоту снаряда. Общая глубина скважины равна: высота колонковой трубы плюс высота колонны буровых штанг.

• Переходники. Эти элементы нужны для соединения резьбовых соединений с различными диаметрами, которые встречаются на буровых штангах, вращателях, промывочных сальниках и прочих компонентах.
• Промывочные пробки и сальники. Они используются для поднятия на поверхность разрушенной породы, если отбор цельного керна не требуется. В таких случаях на забой подводится вода, которая под напором вымывает разбитый грунт на поверхность.
• Долота. Эти инструменты применяются для углубления скважины в местах, где колонковый бур испытывает трудности. При использовании долота может происходить переход от вращательного бурения к ударно-канатному.

Представленный набор инструментов является стандартом для бурения с использованием колонковой технологии. Однако, в зависимости от сложности задач, может понадобиться дополнительное оборудование.

При углублении выполненной выработки к верху колонковой трубы последовательно прикрепляются буровые штанги. Для извлечения колонкового оборудования с поверхности штанга за штангой отвинчивается.

Конструкция колонковой трубы

Конструкторские особенности снарядов при колонковом бурении направлены на максимальное сохранение целости керна и проявляются в кольцевом расположении вокруг свободного прохода. Одним из ключевых параметров является коэффициент керноотбора, который определяется как отношение диаметра керна к наружному диаметру инструмента.

Инструменты для колонкового бурения стандартизированы и различаются в основном по диаметру. По конструкционным характеристикам колонковые трубы подразделяются на одинарные и двойные. Одинарные снаряды, предназначенные для обычных геологических условий, отлично подходят для разработки водозаборных скважин.

Двойные инструменты с неподвижной внутренней трубой используются только в геологоразведочных работах. Они позволяют брать образцы легкообрабатываемых пород в их естественном состоянии, сохраняя природное содержание полезных ископаемых и породы.

В рамках инженерно-геологических исследований, геологоразведки и бурения отверстий для установки опор ЛЭП применяются одинарные колонковые трубы.

Все колонковые трубы разработаны для применения продувки, подачи бурового раствора на забой и промывки скважины. Их верхняя часть оснащена технологическим отверстием, через которое происходит нагнетание воды или воздуха.

Особенности режущей части снаряда

Коронка представлена в форме кольца с резьбой сверху для присоединения к колонковой трубе и резцами, находящимися на нижней части. Резцы могут быть как цельнолитые, так и приваренные к режущей детали.

При колонковом бурении используются следующие типы коронок:

• Твердосплавные – мелкорезцовые и ребристые.
• Алмазные – импрегнированные и мелкоалмазные.

Твердосплавные элементы предназначены для бурения «мягких» грунтов и позволяют работать с различными глинистыми породами, полускальными породами и различными песками. При бурении песчаников и мергелей используются коронки с вольфрам-кобальтовыми резцами.

Мелкорезцовые коронки подходят для работы с породами средней твердости и низкой абразивностью. Они оснащены резцами с восьмигранным или квадратным сечением, что достигает ступенчатости дна, что также имеет свои преимущества.

Ребристые коронки способствуют улучшению циркуляции промывочной жидкости за счет увеличения диаметра скважины.

Ребристые коронки созданы для бурения твердых пород средней абразивности. Их резцы состоят из стального цилиндрического или призматического основания с твердосплавной вставкой, что обеспечивает высокую эффективность работы даже с изношенной коронкой.

Коронки с алмазными резцами предназначены для работы с высокоабразивными скальными породами и полускальными образованиями.

Для повышения прочности и абразивных свойств в литой массив коронки во время производства впрессовываются технические алмазы. В последние годы натуральные алмазы зачастую заменяются на искусственно выращенные.

Количество ребер варьируется в зависимости от конструкции коронки и её диаметра, их может быть от трех до шести. Ускорить разрушение породы можно путем смещения ребер вверх относительно торца коронки, что обеспечивает ступенчатый дно и облегчает прохождение промывочной жидкости.

Трубы для обсадочного строения скважины

Как колонковые, так и обсадные стальные трубы производятся в соответствии с ГОСТ 51682-2000. Они находят применение в геологоразведке и инженерной геологии для предотвращения обрушения грунта на забой, что позволяет избежать затруднений в определении глубины смены геологических слоев.

в системах водозабора обсадные трубы формируют стены скважины. В собранную из них обсадную колонну помещают ещё одну эксплуатационную колонну, чаще всего из пластика, которая снабжается фильтром для удержания песчинок и мелкого гравия.

Наибольшее распространение получили обсадные трубы с ниппельными соединениями, имеющими внутреннюю резьбу с одной стороны и наружную с другой. Это обеспечивает быструю и простую сборку ствола из труб.

Как колонковые, так и обсадные трубы имеют резьбу: с одной стороны — внешнюю, с другой — внутреннюю, что позволяет легко собрать обсадную колонну. Размеры резьб унифицированы, и любая обсадная труба может использоваться как колонковая, достаточно прикрепить коронку и верхнюю часть.

Существуют также обсадные трубы, предназначенные для сварных соединений, но они редко используются в частном секторе из-за сложности процесса сборки колонны.

Материалы, из которых изготавливаются как обсадные, так и колонковые трубы, – сталь марки 45 с группой прочности «К». Чтобы повысить устойчивость к поверхностному износу, концы труб закаливаются. В зависимости от бурового оборудования и диаметра погружного насоса для водозаборных выработок применяются трубы диаметром от 100 до 200 мм.

Этапы колонкового бурения

Перед началом работ следует изучить кадастровый план и подготовить рабочую поверхность. Необходимо обеспечить беспрепятственный доступ к месту бурения как для бурильной установки, так и для транспортирования промывочной жидкости.

Следующий этап – это выемка ямы объемом не менее 2 кубических метров, что исключит необходимость использования дополнительного резервуара. Яма предназначена для сброса грунтовых вод и отработанного бурового раствора. Для установки основной части ствола требуется пробивка грунта.

Затем осуществляется соединение выбранной коронки с колонковой трубой и подбираются обсадные трубы, которые будут наращиваться по мере углубления. Установка должна быть надежно закреплена, после чего можно запускать буровой станок.

Колонковая технология с промывкой забоя водой обеспечивает эффективное и быстрое освобождение ствола выработки от разрушенной породы.

По мере углубления и заполнения колонкового бура его периодически поднимают на поверхность для очищения от захваченного грунта. После очистки бур снова опускается в отверстие скважины для продолжения работы.

Для подъема колонны бурильных труб, состоящей из колонкового устройства и штанг, происходит последовательное отделение каждой штанги, пока не будет извлечена колонковая труба.

Для частников оптимальным вариантом считается колонковое бурение с промывкой, где необходимость в отборе образцов отсутствует. Главное — быстро сформировать ствол и очистить его от шлама, одновременно готовя выработку к эксплуатации.

Для промывки можно использовать любую доступную воду, в том числе из прудов или рек. Бурение может производиться и без воды, если речь идет о песчаных скважинах; в этом случае достаточно пары ведер воды для охлаждения снаряда на забое.

Технология колонкового бурения позволяет проводить работы по бурению в бетонных и железобетонных конструкциях, а также в кирпичных стенах.

При работе с рыхлыми маловлажными песками для укрепления стенок отверстия рекомендовано добавление жидкого стекла или глинистых смесей в рабочий раствор. В любом случае, при прохождении бура через неустойчивые слои грунта оправдано укрепление стенок скважины обсадными трубами.

Технологические особенности процесса

В процессе бурения возможно регулирование частоты вращения бура. Стоит отметить, что слои осадочных горных пород бур легко преодолевает на низких скоростях, тогда как для работы в коренных скальных породах требуется повышенная частота вращения. Колонковый способ бурения позволяет проходить пласты с разнообразными составами и твердостью.

Также необходимо учитывать, что буровая установка должна находиться на заранее подготовленной ровной поверхности. Угол наклона можно регулировать в случае, если диаметр буримого отверстия не превышает 1 метра. После этого вертикальность выработки поддерживается за счет обсадной колонны.

Обсадные трубы возможно использовать повторно, если их извлечь из выработки сразу после бурения. Колонковая труба представляет собой многоразовый инструмент, тогда как коронки не обладают такой возможностью. Для бурения в осадочном слое потребуется как минимум две коронки, а зачастую и более. При создании скважины в известняке степень износа коронок предсказать с полной уверенности невозможно.

Чтобы увеличить срок эксплуатации алмазной коронки после установки или замены, дно скважины следует обработать долотом. Эта процедура значительно ускоряет процесс бурения.

Буровую машину можно устанавливать на автотранспорт с высокой грузоподъемностью либо на гусеничные машины в условиях сложного рельефа. Легкий мобильный транспорт также может быть использован для бурения скважин на воду с колонковым методом.

Преимущества и недостатки колонкового метода

Благодаря точечному воздействию коронки осуществляется аккуратное вырезание и подъем цельного керна на поверхность. Данная технология эффективно используется для бурения пород до XII категории, позволяя работать как перпендикулярно, так и под углом.

Средний уровень производительности и скорость бурения считаются ключевыми показателями метода колонкового бурения.

Среди остальных достоинств можно отметить:

• При использовании промывочной жидкости или технической воды объем бурения достигает 85%;
• Добавление активных эмульсий в рабочий раствор помогает сохранять стенки скважины в первоначальном состоянии;
• Снижение осевых нагрузок за счет частичного разрушения породы приводит к уменьшению энергетических затрат;
• Метод подходит для всех типов пород, включая базальт и гранит;
• Использование сборного мобильного станка позволяет вести работы в труднодоступных местах.

Однако, колонковое бурение имеет и свои недостатки:

• В трещиноватых породах часто происходит заклинивание керна, что требует извлечения трубы для его освобождения;
• При проходке твердых пород коронки быстро затупляются из-за перегрева. Для предотвращения этого необходимо использовать охлаждающую жидкость и уменьшать скорость подачи, что может снизить скорость бурения;
• Небольшое сечение (до 200 мм) делает невозможным использование мощных погружных насосов.

При разработке водяных скважин и использовании глинистых растворов существует высокий риск заиливания водоносного слоя.

Заключение и полезные видео по теме

Видео 1. Начальные этапы бурения скважины с использованием колонкового метода:

Видео 2. Процесс колонкового бурения в гранитной породе:

Перед началом работ по колонковому бурению скважины необходимо провести экономический анализ. Соблюдение стандартов безопасности и правил эксплуатации оборудования позволяет минимизировать риски его неисправности, что обеспечивает высокую эффективность операций, ускоряет бурение и позволяет снизить затраты.

Если у вас есть уникальные знания о колонковой технологии или полезная информация по данной теме, оставляйте, пожалуйста, комментарии в блоке ниже, задавайте вопросы и делитесь фотографиями, относящимися к статье.