Колонковое бурение скважин

Инструмент, используемый для колонкового бурения, обладает стандартными характеристиками, однако различается главным образом по диаметру. С точки зрения конструкции, колонковые трубы разделяются на одинарные и двойные. Одинарные снаряды, созданные для работы в стандартных геологических условиях, прекрасно подходят для создания водозаборных скважин.

Колонковое бурение скважин: технология и нюансы проведения работ

Колонковое бурение скважин представляет собой один из наиболее продуктивных и экономически эффективных методов создания горных выработок. Этот метод находит применение как в разведке месторождений, так и в области инженерной геологии. Кроме того, колонковое бурение является самым простым и быстрым способом получения доступа к подземным водам, что критически важно для организации систем водоснабжения.

В данной статье мы расскажем о специфике колонкового бурения, инструментах, необходимых для его применения, а также об особенностях реализации этой технологии.

Сфера применения колонкового бурения

Метод колонкового бурения позволяет с высокой точностью определять глубину расположения кровли и подошвы различных грунтовых слоев, а также устанавливать глубинную отметку уровня грунтовых вод.

Колонковая буровая технология находит широкое применение в следующих отраслях:

• Водоснабжение в промышленных и частных секторах. Колонковое бурение эффективно используется для создания скважин для частного водоснабжения и организации водозабора для целых поселков или городских районов. Это связано с тем, что колонковый бур может достигать значительных глубин. Данный метод позволяет поднимать практически любой тип разрушенной породы, кроме водонасыщенных и рыхлых несвязных грунтов, таких как пески, гравий и галька;
• Геологоразведка в горнодобывающей индустрии. При прохождении через горные породы осуществляется точечное воздействие на грунт по радиусу вращения, что позволяет извлекать целый массив горных пород без нарушения их структуры;
• Строительство. Инженерно-геологические исследования проводятся для изучения физико-механических свойств грунтов и состояния пород. Колонковая технология предоставляет возможность точно выявить уровень грунтовых вод и отобрать пробы воды для анализа их агрессивности по отношению к бетону.

В процессе колонкового бурения выполняется извлечение керна — столбика грунта или подобных слоев. Керн обладает цельной естественной структурой, что дает возможность провести широкий анализ изучаемых пород. Использование колонковой трубы обеспечивает максимальную точность определения глубины залегания пород для дальнейшего изучения.

Колонковое бурение позволяет сохранить целостность извлекаемого керна, что в свою очередь способствует качественному изучению породы. В то же время, это дает возможность наиболее эффективно очищать забой от разрушенного материала.

Применение колонкового бура в строительстве значительно упрощает и ускоряет процессы. В предварительно подготовленное колонковым буром отверстие легко устанавливаются сваи или монтируются готовые железобетонные конструкции. Также колонковое бурение обеспечивает создание цилиндрических отверстий в кирпичных и бетонных конструкциях.

Колонковое бурение скважин

Данный метод бурения является одним из ключевых технических средств для разведки месторождений твердых полезных ископаемых.

Колонковое бурение представляет собой разновидность бурения с высокими оборотами, при котором разрушение породы происходит по кольцу, что позволяет сохранить внутреннюю часть породы в виде цилиндрического керна.

Этот метод используется для создания разведочных скважин, достигающих большой глубины, прокладке артезианских колодцев и проходки в скальных горизонтах.

Для разрушения грунта используется колонковый бур.
С его помощью формируется отверстие заданной глубины и диаметра в каждом конкретном случае.
В процессе бурения установка, функционирующая с высокой скоростью, подвергается значительным нагрузкам.
Буровая коронка, как правило, оснащается режущими частями, изготовленными из твердого сплава или алмаза.

Ключевым преимуществом колонкового бурения перед другими методами является получение керна из извлекаемой породы.
Во время вращения бура, он движется по краю, что позволяет сохранить целостность керна.
После заполнения рабочего ствола грунтом образцы извлекаются из специального приема.

• Используется при бурении крепких горных пород;
• Для бураются прочные породы применяются дробовые или алмазные коронки;
• Средние по прочности породы бурятся с применением победитовых или вольфрамитовых коронок;
• Мягкие породы обрабатываются стальными бурильными коронками, с при этом часто выполняется промывка забоя скважины при помощи воды или глинистого раствора.

Особенности колонкового бурения

• Из скважины извлекается керн;
• Возможность бурения под различными углами относительно горизонта в породах любой прочности и устойчивости;
• Относительно малый диаметр скважины при значительной глубине;
• Применение относительно легкого и мобильного оборудования.

• Буровая коронка;
• Колонковая труба;
• Тройные переходники;
• Шламовые трубы;
• Колонны бурильных труб;
• Ниппельные или муфтово-замковые соединения;
• Промывочные сальники;
• Для подъема и спуска оборудования используются различные ключи, элеваторы и подкладные вилки.

Характеристика и краткое описание колонкового бурения скважин

Керн, в данном случае, представляет собой столбик из исследуемого материала, например, горной породы цилиндрической формы. Он поднимается на поверхность с использованием шнекового подъемника, когда главной целью является изучение слоев грунта. Подобная процедура позволяет составить детальный геологический разрез.

Используемое оборудование позволяет углубляться на расстояние до 1000 метров. Оно оснащено инструментами, способными работать с любыми типами пород. Вторая задача этого оборудования — регулярная доставка керновых проб на поверхность.

Эффективность метода такова, что он был применен в Заполярье в процессе разработки Кольской сверхглубокой скважины, уходящей на глубину 12 262 метра, для решения разнообразных научных задач. Эта скважина занесена в книгу рекордов Гиннеса как самая глубокая в мире.

Кроме того, данная технология активно используется для открытия водных горизонтов на больших глубинах. Обеспечение доступа к кристально чистой воде является одной из приоритетных задач.

Сферы использования колонкового способа бурения скважин

Первоначально эта методика была разработана для исследовательско-научных целей. В рамках геологической разведки она позволяет с высокой точностью определить, на каком расстоянии от поверхности располагаются различные грунтовые слои, включая их кровлю и подошву. С помощью данного метода возможно выявление не только твердых пород, но и зеркала подземных вод.

Области применения данной методики включают:

• Гидродобыча. Метод может применяться как для частного водоснабжения, так и для масштабной водоподготовки в промышленных условиях. Такой способ водозабора оказывается особенно эффективным, поскольку бурение осуществляется на большую глубину. Это позволяет обеспечить чистыми питьевыми водами целые кварталы или небольшие дачные поселки. При этом снаряд отлично поднимает различные типы почвы, за исключением водонасыщенных рыхлых материалов. Если такие грунты все же встречаются (например, песок, глина и некоторые другие примеси), то их можно обрабатывать, используя фильтры грубой очистки, которые выгодно заказать в нашей компании «Вода Отечества».
• Геологическая разведка. Применяется в основном в горнодобывающей сфере. Особенность этого метода в том, что конструкция бурового инструмента позволяет фактически формировать цилиндр, внутри которого остается керн. Это дает возможность изучать химические, механические и физические качества грунтовых слоев без изменения их структуры.
• Подготовка к строительству. В ходе инженерно-геологических исследований на строительном участке применяются методы георазведки. Колонковый метод бурения позволяет зафиксировать ряд показателей, включая уровень грунтовых вод и характеристики почвы. Хотя в таких случаях глубина погружения инструмента может быть умеренной.
• Научно-исследовательская деятельность. Ярким примером служит Кольская сверхглубокая скважина, цель которой заключалась в изучении структуры земной коры и слоев ядра Земли. Данная работа имела исключительно научный характер.
• Строительство. Благодаря получению ровных цилиндрических отверстий, в подготовленные ямки удобно устанавливать сваи для фундамента и осуществлять монтаж железобетонных конструкций. Кроме того, острые и прочные буровые инструменты позволяют пробурить насквозь даже бетонные блоки или кирпичную кладку.

Колонковое бурение с использованием специальной трубы предоставляет возможность извлекать образцы грунта в целостной форме, а также точно определять глубину залегания пород. Таким образом, данная технология находит применение во множестве сфер. Главное назначение процесса в частном использовании — это гидродобыча, создание индивидуального пункта забора и водоподготовки на территории участка.

Оборудование для проходки и обустройства скважин

Для реализации колонкового бурения необходимо специализированное оборудование, которое позволяет проводить глубокие работы, а также разрабатывать и извлекать разнообразные породы. В процессе работы нужно обеспечивать периодическое увеличение объема разрушенного материала.

Стандартный набор бурового инструмента

Для успешного выполнения работ рекомендуется иметь следующий набор:

• Столбчатые оболочки. Используются как для горизонтального бурения, так и для вертикальной обработки. Для бурения под углом до 45 градусов подходят стандартные колонковые трубы. Тонкостенные оболочки следует применить только при горизонтальном бестраншейном бурении, например, при прокладке коммуникаций.
• Короны. Это инструмент для раскалывания горных пород, имеющий колонковый ствол, что облегчает процесс бурения. Для работы с связными и несвязными осадочными грунтами используются латунные наконечники, тогда как для бурения твердых пород и земляных основ — твердосплавные сверла с алмазными фрезами.
• Стальные обсадные трубы. Необходимы для создания и закрепления скважины при одновременном углублении. Их диаметр равен диаметру проходимого отверстия, а кожух для водозабора подбирается, исходя из диаметра центральной трубы и насоса, который будет использоваться в скважине.
• Штанги. Это плотно скрученные трубки, которые необходимо использовать для удлинения бурильной колонны. Иными словами, их прикручивают к верхней части центральной трубы, чтобы вращательное движение передавалось на большую глубину, превышающую высоту снаряда. Высота центральной трубы плюс высота бурильной колонны равна глубине выемки.
• Переходники. Нужны для обеспечения соединения резьбовых деталей различных диаметров на буровых штангах, ротаторах, промывочных уплотнениях и других принадлежностях.
• Промывочные пробки и прокладки. Они необходимы для увеличения площади разрушенного грунта при отсутствии необходимости извлекать полный керн. В таком случае вода подается на дно, очищая разрушаемые породы под давлением до поверхности.
• Зубила. Применяются для углубления отверстий в трудных местах, где буровая коронка может не справиться. При использовании буровых коронок иногда переходят с роторного бурения к ударно-канатному методу.

Представленный выше инструмент образует стандартный набор для бурения по базовой технологии. В зависимости от сложности разработки могут потребоваться дополнительные инструменты и оборудование.

По мере углубления котлована ряд буровых штанг последовательно вводится в верхнюю часть центральной трубы. Для извлечения основного снаряда на поверхность штанга откручивается от штанги.

Особенности конструкции колонковой трубы

Конструкция бура для колонкового бурения спроектирована так, чтобы максимально сохранить целостность керна. Это достигается путем кольцевого расположения рабочего устройства вокруг свободного прохода. Одной из ключевых характеристик при этом является коэффициент колонкового бурения, который определяется как отношение диаметра стержня к внешнему диаметру инструмента.

Инструменты, используемые для колонкового бурения, стандартизированы и различаются в основном только своими размерами. По конструктивным особенностям, центральные трубы делятся на одинарные и двойные. Одинарные буры, предназначенные для эксплуатации в нормальных геологических условиях, отлично подходят для бурения водозаборных скважин.

Этапы колонкового бурения

Перед началом бурительных работ необходимо детально изучить кадастровый план и подготовить план работ. Важно обеспечить беспрепятственный доступ к буровой установке и транспортной машине с промывочной жидкостью.

Следующим этапом является копка ямы объемом не менее двух кубических метров, что позволит избежать использования дополнительных емкостей. Данная яма предназначена для отведения грунтовых вод и сброса отработанной промывочной жидкости, а также для установки основной части ствола.

После этого выбранный наконечник соединяется с бурильной трубой, и выбирается обсадная труба, которая будет вставляться по мере углубления в земле. Буровая установка должна быть надежно закреплена, после чего запускается буровая платформа.

Технология колонкового бурения с промывкой водой обеспечивает наиболее простой и эффективный метод очистки колодца от разрушенной породы.

По мере того, как колонковое бурение углубляется, его периодически поднимают на поверхность и очищают от захваченной породы. После освобождения бура от керна, его вновь опускают в скважину для продолжения процесса бурения.

При подъеме колонны бурильных труб, состоящей из колонкового бурения и штанг, происходит разборка этой колонны. Пошагово стержни отделяются друг от друга до полного извлечения центральной трубы из ствола.

Наиболее подходящим вариантом для создания колодца для частных пользователей является метод, использующий керновую промывку. В этом случае нет необходимости делать пробы. Главная цель заключается в быстром формировании котлована и его очистке от шлама, пока участок готов к выполнению предстоящих работ.

Для промывки можно использовать любую доступную воду — вполне подойдет вода из ближайшего водоема или реки. Сухое бурение допускается при разработке песчаного карьера, для чего обычно достаточно всего лишь нескольких ведер воды, использующихся для охлаждения скважины.

Базовая технология также применяется для сверления отверстий в бетонных и железобетонных конструкциях, в фундаментах и кирпичных стенах.

При работе с рыхлыми песками, имеющими низкую влажность, рекомендуется добавлять в рабочий раствор стакан воды или глиняную массу для упрочнения стенок лунки. В любом случае, если буровая установка пересекает горизонты с неустойчивыми конструкциями, необходимо усиление стенок колодца обсадными трубами.

Как производится бурение

Перед началом работ по бурению необходимо проанализировать кадастровый план местности и подготовить площадку для устройства. Также следует обеспечить подъезд специальной техники, включая буровую установку, к месту проведения работ. Дальнейшие мероприятия следующие:

1. Подготавливается дополнительная яма вместимостью два кубических метра и более для откачки грунтовых вод и промывочной жидкости.
2. В зависимости от типа грунта подбирается коронка, которая соединяется с буровой трубой. Также подготавливаются обсадные трубы.
3. После старта бурения периодически выполняется выемка инструмента и его очистка от породы. Регулярно осуществляется промывка скважины.
4. По завершению бурения выполняется последовательная выемка инструмента и разборка колонковых труб.

Если подход к промывке осуществляется с использованием воды, в качестве которой подходит обычная вода, то для песчаных скважин можно применять технологию сухого бурения. В данном случае жидкость потребуется лишь в минимальном объеме для охлаждения режущих элементов.

Преимущества и недостатки технологии

Во время бурения можно регулировать скорость вращения инструмента. В зависимости от типа и плотности грунта, вращение может осуществляться на низких или высоких оборотах. Обсадные трубы могут быть повторно использованы, как и колонковая труба. Количество используемых коронок зависит от прочности породы.

К преимуществам колонкового бурения можно отнести:

• Высокие показатели скорости и производительности, значительно превышающие данные других технологий;
• Использование активных эмульсий во время бурения позволяет сохранить целостность стенок скважины после завершения работ;
• Снижение затрат энергии обусловлено уменьшением осевых нагрузок, поскольку разрушение породы происходит только в рамках диаметра керна;
• Эффективность метода не зависит от типа породы: он одинаково хорош как для мягких, так и для твердых скальных грунтов;
• Данная технология допускает бурение в труднодоступных местах при использовании сборного оборудования.

Однако колонковое бурение имеет и свои недостатки, среди которых — возможность периодического заклинивания керна, быстрое изнашивание инструмента из-за перегрева и недостатка охлаждения, а также относительно небольшой диаметр скважины, достигающий 200 мм. При взвешивании всех достоинств и недостатков колонковое бурение фактически превосходит другие методы разработки скважин. Перед началом работ следует тщательно рассчитать стоимость и эффективность использования этой технологии.