Обзор технологии роторного бурения скважин и необходимого оборудования

Когда подключение загородного дома к центральному водоснабжению невозможно, владельцам остается организовать собственную автономную водоснабжающую систему. Наиболее распространённым методом является бурение скважины, при этом существует несколько техник, включая и роторное бурение, которое представляет собой довольно перспективный, но менее известный подход.

В данном материале мы подробно рассмотрим особенности роторного бурения и анализируем используемые инструменты. Мы также оцениваем плюсы и минусы этой техники и приводим практические рекомендации для владельцев частных участков, которые хотят контролировать процесс бурения.

Что такое роторное бурение?

Начнем с разбора сути роторного бурения скважин и его альтернатив. Одним из традиционных методов создания водозаборных скважин считается шнековое бурение, однако оно имеет свои ограничения.

Шнековое бурение не способно проходить через твердые скальные породы. Винтовой бур, применяемый в шнековой технологии, не может разрушить известняк. Это может быть проблемой, когда нужно просверлить именно через такие породы, ведь надлежащие грунты не всегда обеспечивают необходимую стабильность и дебит.

Другие технологии, такие как колонковое или шнековое бурение, тоже не могут эффективно проходить скальные породы. В случае бурения в известняке роторный метод будет более эффективным и экономичным.

Поэтому роторная технология, которая ранее использовалась исключительно в горнодобывающей отрасли, теперь применима и в сфере создания частных водозаборных сооружений. Основным элементом этого метода является долото, находящееся в забое скважины, которое разрушает грунт и дробит скальные образования.

Выемка разрушенных пород осуществляется с помощью жидкости, которая под давлением подается к забою через рабочую колонну или затрубное пространство. Обе эти технологии будут рассмотрены более подробно дальше.

Диаметр долота больше, чем диаметр рабочей колонны, что обеспечивает:

• снижение затрат энергии на весь процесс бурения (мощность расходуется только на вращение долота, а потери на трение рабочей колонны о стенки скважины минимальны);
• защиту большинства компонентов рабочей колонны от повреждений и стенок пробуренной скважины от разрушений;
• создание скважин большого диаметра (например, до 70 см) на значительные глубины.

Таким образом, можно создавать водозаборные скважины глубиной 300 метров и более, что позволяет обеспечить водой дачные участки и маленькие поселки.

Итак, роторное бурение представляет собой метод разработки скважины, при котором усилие на долото в забое передается от роторного устройства через рабочую колонну, состоящую из стальных труб, соединяемых последовательно для углубления в землю.

При этом для расчистки ствола скважины и забоя от шлама используется подаваемая под давлением вода. Это решение позволяет избежать постоянной разборки и сборки буровой колонны для извлечения керна, как это делается в колонковом бурении.

Таким образом, подаваемая в скважину жидкость решает две важные задачи: обеспечивает движение бурового инструмента для дальнейших работ и производит промывку скважины, необходимую для подготовки водозаборного элемента к эксплуатации.

Преимущества роторного бурения

Каковы же преимущества роторного бурения по сравнению с другими методами? Их можно выделить несколько.

Во-первых, использование роторного долота позволяет создавать скважины большого диаметра, что делает возможным удовлетворение потребностей в воде для нескольких домохозяйств одновременно.

Бурение является непростым и затратным процессом, требующим специализированного оборудования и квалифицированного контроля со стороны опытных бурильщиков. В итоге, бурение скважин подлежит лицензированию, что также обуславливает его высокую стоимость.

Однако форма и конструкция роторного долота позволяют формировать скважины значительно большего диаметра по сравнению со шнековыми буровыми инструментами.

Совместное финансирование одной общая скважины для соседних участков — это экономически разумное решение, но для этого требуется достаточный дебет. Как правило, водоносные горизонты четвертичных отложений не всегда могут его обеспечить.

Для общего использования водозаборную скважину лучше всего бурить в известняке, поскольку подземные воды в этом материале отличаются высоким качеством и чистотой, а уровень дебита не зависит от объемов осадков. В отличие от этого песчаные скважины гораздо более восприимчивы к внешним влияниям.

Во-вторых, роторное бурение требует относительно небольших затрат энергии. Рабочий элемент (долото) в отличие от других методов не взаимодействует со стенками скважины.

Это означает, что с грунтом контактирует только долото, что делает процесс бурения более быстрым — до 1000 погонных метров в месяц!

В-третьих, роторный метод позволяет бурить на большие глубины, вскрывая коренные метаморфические и магматические породы, из трещин которых можно извлекать воду, оптимальную для питьевых нужд.

К сожалению, скважины глубже 30 метров чаще всего обеспечивают лишь техническую воду, качество которой зависит от расположенных рядом водоемов, источников загрязнения и атмосферных осадков. Шнек и колонковая труба дают доступ только к такому недорогому водозабору.

Все буровое оборудование можно легко установить на автомобильной платформе средней грузоподъемности, что делает процесс роторного бурения более технологичным и экономичным.

Кроме того, роторное бурение позволяет достигать полной глубины без необходимости менять метод, как это происходит при использовании шнекового бурения в случае столкновения с валуном, где возможен переход на ударно-канатный метод.

На практике было замечено, что скважины, созданные с помощью роторного метода, служат значительно дольше. Это можно объяснить тем, что после установки обсадной колонны, формирующей стенку скважины, затрубное пространство дополнительно укрепляется.

Оборудование для бурения скважины

Процесс начинается с установки вертикальной консоли, на которую будут крепиться вертикальные секции рабочей колонны. Первое звено бурового инструмента оснащается рабочим элементом — долотом, форма и размер которого зависят от типа грунта.

Для бурения водоносных скважин обычно применяется более компактное оборудование, и необходимость в создании вышки, как правило, отсутствует.

Комплектация бурового оборудования

При углублении первого звена, на него устанавливается следующее, называемое штангой, и так продолжается. Длина каждого из таких элементов может составлять от 20 до 50 метров. Для упрощения сборки рабочей колонны каждая штанга снабжена конической резьбой с замком.

В результате собирается буровой снаряд, который состоит из:

• рабочего долота;
• ведущей штанги;
• колонны рядовых штанг, соединенных между собой муфтами.

Рабочая колонна удерживается с помощью вертлюги, вращение которой осуществляется ротором. В зависимости от желаемой глубины бурения и физических свойств грунта для формирования ведущего звена применяются стандартные или усиленные штанги.

Ведущая штанга обычно является утяжеленной трубой, так как на нее возлагается важная задача транспортировки промывочного раствора к долоту для вымывания дробленой породы. Это требует надежных муфтовых соединений для плотного соединения между звеньями.

Не забывайте, что давление жидкости прямо пропорционально высоте создаваемого столба и не зависит от диаметра трубы. Если для промывки используется вода, то каждые 10 метров давления добавляется 1 атмосфера.

Для примера, рабочее давление в домашней водопроводной сети составляет 10 атмосфер, а самые прочные трубы рассчитаны на 20 атмосфер.

Напоминаем, что, хотя домашние системы стационарны, на ведущую штангу воздействует давление, соответствующее весу буровой колонны. Кроме того, она должна также передавать вращательный момент и усилие на долото.

Муфты представляют собой ключевые компоненты штанги, так как именно на них действует вес всей нижней части смежной штанги, а также динамические нагрузки и вращение, создаваемые движком.

К муфтам как конструктивным элементам буровой колонны выдвигаются следующие требования:

• они должны обеспечивать герметичность соединений штанг и выдерживать давление жидкости до 100 атмосфер (для прочистки забоя напорной струей);
• должны быть устойчивыми к износу, чтобы не терять свои свойства вследствие трения о стенки скважины;
• должны уметь передавать вращающий момент от верхней части рабочей колонны к ее нижней части и далее к долоту.

Качество изготовления муфт играет ключевую роль. Если хотя бы одна из них не справится с нагрузками и рабочая колонна разорвется, то извлечь её нижнюю часть вместе с долотом будет крайне сложно. В некоторых случаях гораздо проще пробурить новую скважину рядом, чем пытаться достать открепившуюся ведущую штангу.

Использование воды при бурении

Жидкость, подающаяся к забою, обычно представляет собой просто воду. Иногда для стабилизации ствола, когда он проходит через рыхлые несвязные породы (песок, щебень, гравийно-галечниковые отложения), применяются растворы с добавками. Это необходимо, поскольку на первых этапах бурения обсадку не устанавливают.

Вода поступает в выработку либо под давлением через ведущую штангу (в этом случае выкачивание происходит через затрубное пространство), либо самотеком вниз по тому же затрубному пространству, а ее удаление осуществляется с помощью откачивающего насоса через рабочую колонну.

Существуют две разных технологии роторного бурения, которые будут рассмотрены ниже.

Роторное бурение характеризуется высокой скоростью разработки водозаборной скважины. Параллельно с бурением происходит промывка ствола и подготовка его к предстоящей эксплуатации.

Тем не менее, независимо от применяемого метода, жидкость, используемая при бурении, требует очистки для последующего использования.

Для этого необходим следующий набор оборудования:

• Амбар для хранения бурового раствора. (Если планируется бурение неглубокой скважины — до нескольких десятков метров, его можно построить прямо в земле, а в качестве промывочной жидкости использовать обычную воду). Амбар служит аккумулятором для промывочной жидкости.
• Вибросито. Жидкость, выходящая из скважины, содержит частицы дробленой породы, которые необходимо удалить. Наиболее эффективным способом является механическая очистка с помощью вибросита.
• Отстойник. После удаления крупных частиц породы жидкость попадает в отстойник для устранения взвешенных частиц, которые оседают на дно. При использовании воды отстойники иногда могут быть сделаны прямо в земле. Кроме того, для разделения жидкостей и отделения осадка применяют гидроциклоны.
• Буровой насос. Он играет важную роль в обеспечении циркуляции промывочного раствора.
• Система желобов. Необходима для транспортировки воды от места образования выработки к месту её очистки.

Для бурения скважин по роторной технологии требуется следующий набор механизмов и оборудования:

1. Вышка или консоль для сборки буровой колонны и её разборки по завершении бурения, а также талевая система.
2. Двигатель, обеспечивающий вращение ротора.
3. Оборудование для жидкости. Механизмы и устройства, отвечающие за обеспечение циркуляции и очистки промывающей жидкости (насос, вибросито, отстойники и/или гидроциклон, амбар для хранения промывающей жидкости, система труб и желобов).

Для бурения неглубоких скважин комплект оборудования бывает достаточно компактным (например, стрела консоли может быть складной). Это позволяет удобно размещать буровое оборудование в любых подходящих местах для проведения работ и дальнейшей эксплуатации.

Два типа роторного бурения

В зависимости от метода подачи промывочной жидкости в забой, различаются два типа роторного бурения:

1. с прямой подачей;
2. с обратной подачей.

Важно отметить, что жидкость, поступающая в забой, предназначена не только для промывки и выноса дробленой породы, но также служит для охлаждения долота, которое нагревается от трения. При прямой подаче жидкости насос создает её избыточное давление.

Жидкость попадает в забой через технологические отверстия в долоте, захватывает дробленую породу и самотеком (то есть через затрубное пространство относительно ведущей штанги) поднимается на поверхность, попадая в очистительный комплекс (вибросито, гидроциклон).

Промывка может быть как прямой, так и обратной, что определяет качественные характеристики применяемого оборудования, но основная схема остается одинаковой для обоих типов технологий.

Технология обратной подачи предполагает, что промывочная жидкость спускается к забою самотеком, а обратно на поверхность смесь с дробленым материалом уже поднимается по трубе ведущей штанги. При этом буровой насос создает отрицательное давление внутри этой трубы.

Несмотря на кажущуюся простоту обоих методов, на деле существует множество нюансов. Поэтому имеет смысл более подробно остановиться на каждом из описанных подходов к бурению.

Бурение с прямой подачей промывающей жидкости

Эта технология иногда называется «прямым водотоком». Она особенно эффективна в песчаных, гравийных и щебенистых грунтах, а также если глубина водоносного горизонта не превышает 30 м. В этом случае в жидкость добавляют специальные присадки для увеличения её плотности и стабильности ствола.

Роторное бурение характеризуется последовательным уменьшением диаметра бурящей скважины. Сначала бурится скважина самого большого диаметра, затем она обсаживается трубой, а кольцевое пространство между трубой и стенкой скважины заполняется цементным раствором через технологические отверстия.

После этого бурение продолжается долотом меньшего размера, за которым снова идет обсадка, и следующий участок получает еще меньший диаметр, и так далее. Чем реже осуществляется цементирование, тем выше скорость бурения, что в итоге отражается на общей стоимости процесса и самой скважины.

Частая обсадка также может привести к тому, что эффективный диаметр скважины (тот, что вскрывает водоносный слой) становится слишком мал. При «прямом водотоке» есть возможность не проводить обсадку на глубину до 100 метров.

Основное давление промывающей жидкости создается насосом в ведущей штанге, а затрубное пространство заполняется жидкостью с частицами дробленой породы самотеком, не разрушая стенки скважины чрезмерным давлением.

Схема бурения с прямой подачей иллюстрирует, как жидкость попадает в забой через трубу ведущей штанги, а на поверхность поднимается самотеком.

Однако у данного метода есть свои недостатки. Длинный необсаженный участок может привести к тому, что в водоносные горизонты попадут мелкие глинистые частицы, что негативно скажется на притоке воды из водоносного пласта.

Эти частицы действуют как блокирующие агенты в порах и микроканалах породы, что мешает воде свободно проходить. Поэтому процесс обсадки при бурении необходим для сохранения дальнейшей продуктивности скважины.

Бурение с обратной подачей промывающей жидкости

При использовании этого метода подача жидкости позволяет наиболее эффективно очищать ствол и забой. Здесь насос не вдувает жидкость в забой, а вытягивает её обратно, что значительно ускоряет процесс формирования скважины с помощью долота.

Сама скважина остается чистой от глинистых включений, поскольку насос поднимает вверх все, что находится в жидкости. В этом процессе нет смысла добавлять присадки, поэтому используется просто чистая вода в качестве промывочной жидкости.

Схема обратной промывки при роторном бурении показывает, как жидкость подается самотеком через затрубное пространство, а шлам выкачивается насосом по трубе ведущей штанги.

Подытожим плюсы бурения с обратным водотоком:

• скорость бурения увеличивается (по сравнению с прямым водотоком) до 15 раз;
• водоносный горизонт остается чистым от глинистых частиц и пылеватого песка с ещё необсаженных уровней скважины;
• благодаря качественному вскрытию водоносного горизонта, скважина сразу готова к эксплуатации, и можно немедленно устанавливать внутреннюю обсадную колонну с фильтром и начинать откачку водой;
• в качестве рабочей жидкости используется дешевая вода.

Тем не менее, у этого подхода есть значительный недостаток — он требует наличия дорогостоящего оборудования, что в итоге приводит к увеличению общей стоимости бурения.

Поэтому бурение методом «обратного водотока» целесообразно проводить только в тех ситуациях, когда скважина предназначена для эксплуатации несколькими домохозяйствами. Если же скважина проектируется для индивидуального использования, то более разумно применять технологию роторного бурения с прямой подачей.

Заключение и полезные видео по теме

Видео #1. Наглядная демонстрация этапов роторного бурения:

Видео #2. Изучение роторной технологии и принципов обустройства скважины:

Видео #3. Процесс циркуляции воды во время роторного бурения:

Состояние запасов подземных вод и их залегание могут варьироваться в зависимости от региона (в некоторых местах, таких как Мадейра, водоносные горизонты могут отсутствовать вовсе).

При создании проекта скважины и выборе наиболее эффективного метода роторного бурения важно обращаться к существующим картам разведанных водоносных горизонтов. Такой подход позволит существенно сэкономить финансы и время.

Поделитесь своим опытом разработки скважины с использованием роторной технологии. Мы будем рады услышать о технологических аспектах, которые могут быть полезны другим пользователям сайта. Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в приведенной ниже форме, загружайте фотографии и задавайте вопросы, связанные с темой статьи.