Технология колонкового бурения скважин (способ)

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.

Такой способ идеален для проведения анализа структуры и свойства почвы, так как исследователям необходимо всего лишь извлечь грунтовый цилиндр из рабочей колонки.

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.
  

  Схематические изображение стандартной коронки для бурения скважин

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.

Установки для колонкового бурения на автомобильном шасси

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.

После того, как механизмы бурового станка колонкового бурения выполнили свою миссию, в работу включаются шнековые машины, которые завершают процесс бурения скважины.

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.

Характеристика колонкового способа бурения

Основное назначение — обеспечить достоверную информацию о веществах, находящихся в массивных образованиях, путем извлечения их на поверхность. Продуктами резания монолитов являются цилиндрические образцы твердой пробы и буровая мелочь — шлам.

Выемка керна осуществляется инструментом для работы в скважине:

• коронки — кольца трубчатой формы Ø 76, 93, 112, 132, 151 и 190 мм, армированные с рабочего торца твердыми сплавами, или насадки Ø 36, 46, 59 и 76 мм с алмазами, другой конец оснащается трапециевидной резьбой для присоединения к колонковому буру;
• колонковая труба для размещения керна;
• переходник на трубчатую буровую колонну, собранную с помощью ниппельных или муфто-замковых соединений.

На торце наружной части колонны находится промывочный сальник. В инструмент для спуско-подъемных операций входят ключи различного назначения, подкладные вилки, элеваторы для захвата бурильных труб. Шлам выносится по затрубному пространству на поверхность водой или глинистым раствором, закачиваемым насосом высокого давления.

Установки колонкового бурения работают под разными углами в твердых массивах. Предельная глубина достигнута при бурении скважины на Кольском полуострове — 12226 м.

Существует несколько разновидностей кернового бурения:

1. Вращательный способ — алмазный, твердосплавный или бескерновый.
2. Ударно-вращательный с применением пневмо- и гидроударников.

Сферы использования подобной технологии

Подъем керна.

Подъем скального материала с глубоких горизонтов — главная область применения способа.

С его помощью решаются следующие задачи:

1. Поиски и геологическая разведка. Подъем керна выполняется с целью описания строения продуктивных пластов твердых полезных ископаемых, нефти, воды, газа и вмещающих горных пород. Керновый столб отражает последовательность и мощность слоев, что необходимо для построения геологического разреза. Скважины используют и для проведения геофизических исследований.
2. Изыскания гидрогеологические. При инженерных работах имеет значение, на какой глубине залегают грунтовые воды. Скальные промежутки преодолеваются с отбором проб или бескерновым способом.
3. Строительство скважин на воду. Направлений использования 2: увидеть гидрогеологический разрез будущего водозабора и использовать пройденную выработку небольшого диаметра для последующего расширения шнековой установкой.
4. Возведение свайных фундаментов. Применение колонкового бурения обосновывается так же, как при строительстве водяных скважин.
5. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых. Для уточнения контуров рудного тела из подземных выработок осуществляется колонковая проходка разведочных скважин с отбором керна.
6. Устройство цилиндрических проходов в бетонных сооружениях и кирпичных конструкциях. При сверлении алмазной коронкой получают отверстия в перегородках и перекрытиях зданий, имеющие ровные стенки и заданный размер.
7. Проходка шурфов Ø 400-1500 мм при строительстве колодцев различного назначения. Строительство шахтных стволов диаметром ≥4 м.

Керновое бурение используется также при изучении многослойных ледников Антарктиды, для определения возраста старых деревьев по годовым кольцам.

Суть технологии

Породоразрушающий снаряд — колонковый бур с коронкой. Керновый способ бурения является разновидностью роторного. Частоту вращения труб можно регулировать в зависимости от осложнений, возникающих на забое или в стволе скважины.

По заполнении полости бура горной породой инструмент поднимают для извлечения содержимого:

1. Керн в нижней части снаряда заклинивают, промывочный насос выключают.
2. Колонковый бур с помощью лебедки извлекают из скважины, разбирая колонну на звенья — свечи, состоящие из 2-4 бурильных труб. Их общая длина меньше высоты мачты на 3-5 м.
3. Коронку снимают со снаряда и осматривают на износ, при необходимости заменяют новой.
4. Образец породы вынимают из керноприемника, инструмент собирают, и колонну в обратном порядке опускают в скважину для продолжения бурения.

После того как керн извлекают, его промывают, измеряют, укладывают в керновые ящики. В маркировке каждого столбика указывают интервал скважины, на котором отобрана проба.

На больших глубинах применяется технология бурения трубами со съемным керноприемником. Цилиндр размещают внутри колонны, а при наполнении полости породой поднимают его на поверхность.

Другой способ сэкономить время на спуско-подъемных операциях — не извлекать образцы из недр, если проходка ведется на изученном интервале. В таких обстоятельствах используют бескерновое бурение. В мягких и средней твердости грунтах этот прием позволяет повысить скорость строительства скважины.

Этапы процесса

Весь технологический процесс работы можно разбить на следующие этапы:

1. 
   Подготовка рабочей поверхности и изучение кадастрового плана. Здесь важно обустроить нормальный процесс подъезда к месту бурения, освободить от постороннего мусора и травы. Важна выкипировка участка для улучшения качества выполняемой работы.
2. В работе будет использоваться не только бурильная установка, но и машина с промывочной жидкостью. Для слива необходимо недалеко от места колонкового бурения выкопать яму до 2 кубических метров для слива отработанной жидкости от шлама.
3. На месте колонкового бурения необходимо пробить грунт, чтобы там разместить основную часть ствола и впоследствии наращивать ее по мере необходимости.
4. Во время колонкового бурения внутренняя полость трубы будет заполняться отработанным грунтом. Именно поэтому необходимо чаще извлекать из трубы породу на поверхность. После извлечения труб бур снова погружают в землю и бурят до достижения необходимой глубины.

Во время бурения необходимо промывать отверстия для упрощения рабочего процесса. Если же это невозможно по ряду причин, то работа может быть выполнена на сухую, что крайне нежелательно для режущего элемента. В случае использования алмазной коронки, соединенной с трубой, специалисты применяют эмульсию специального типа.

Если работы выполняются по песчаному грунту, то в эту эмульсию необходимо добавлять жидкое стекло, а также массу, содержащую глинистый раствор, что может укрепить стенки колонны.

Если мы говорим о работе в неустойчивой почве, то для укрепления столбика колодца необходимо обустраивать обсадную трубу. При этом сама технология промывки может быть заменена продувкой сжатым воздухом.

Как на практике происходит процесс колонкового бурения с промывкой скважины:

Дополнительные аспекты

Подобная технология в частной жизни чаще всего применяется перед тем, как начать шнековое бурение скважин на воду, поскольку этот вариант самый надежный из существующих, он всегда дает результат в 100%. Небольшой диаметр (до 160 мм) позволяет работать достаточно быстро. Таким образом, за смену может быть преодолено от нескольких метров до нескольких сотен метров в зависимости от пород.

Нередко вместо промывки водой используется продувка воздухом, т.к. это значительно дешевле и эффективнее. Такой способ не может быть использован только в одном случае, а именно если присутствует вода в самой толще.

Использование колонковой технологии позволяет работать почти со всеми типами пород на глубине до 1000 м, и во время всего процесса на поверхность подается каждый следующий срез пласта.

После завершения подобной деятельности шнековое бурение скважин на воду осуществляется довольно легко и быстро, т.к. направляющий ход уже имеется. К тому же большим плюсом будет точное знание всех сложных моментов, для которых можно использовать специальные коронки, что опять же ускоряет рабочий процесс.

Иногда используется шнеко-пневматическое бурение, причем подобные методы обладают максимально высоким КПД. Их ограничение связано лишь с жидкостями, т.к. в этом методе снова используется сжатый воздух, которым взвешивается порода для скорейшего ее удаления.

Бурильный инструмент при колонковом способе

В качестве грунторазрушающего устройства применяется специальный инструмент с твердосплавными режущими частями или алмазными вставками.

Бурильная коронка с твердосплавными сменными резцами для колонкового бурения.

На кольцеобразном корпусе из легированной стали крепятся специальные замки для установки режущих пластин из твердого сплава. Пластины крепятся винтами и, по мере износа или притупления, заменяются на новые. На корпусе выполняется трапецеидальная многозаходная резьба для установки на бурильную колонковую трубу.

Конструкция коронки и технология способа бурения позволяет проходить самые твердые скальные породы при сохранении достаточной производительности. Этому способствует также применение воды или глинистого раствора в процессе проходки ствола. Кроме назначения выноса продуктов бурения из скважины, эти среды работают и как смазывающе-охлаждающие жидкости.

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.

В процессе колонкового бурения выбуренный конусообразный сегмент горной породы проталкивается в колонковую трубу. Для его извлечения колонковый снаряд достают из ствола путем разбора колонны бурильных штанг. Керн выдувают и выколачивают из трубы.

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.

Использование тяжелых гусеничных тягачей позволяет производить работы по колонковому бурению скважин в районах с бездорожьем, поверхностным заболачиванием, нестабильным рельефом

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.

Для механизации ручного бурения неглубоких скважин и формирования лунок для установки оград и опор ЛЭП применяются бензиновые и электродвигатели. Они сообщают вращающие движения шнеку или колонковой трубе

Этапы процесса

Проходка скважин.

Проходка скважин колонковым способом осуществляется с промывкой для удаления бурового шлама или без нее. В первом случае в состав оборудования установки включается насос высокого давления, что усложняет технологический процесс, но делает его более эффективным.

Бурение состоит из следующих этапов:

1. Подготовка площадки под размещение станка. Место забуривания очищают от мусора и посторонних предметов, выравнивают поверхность до горизонтального состояния.
2. Проходка шурфа для раствора и отвода потока жидкости. Яма располагается поблизости от будущей скважины и выкапывается на глубину ≥2 м. В тех же целях используют сварные баки или другие емкости.
3. Монтаж буровой установки, ее оснастка и сборка инструмента. Верхняя труба закрепляется во вращателе станка.
4. Бурение. Снаряд проникает в грунт за счет вращения и осевого давления, передаваемого на армированный торец коронки. Одновременно на забой скважины нагнетается вода или промывочный раствор.
5. Разгрузка керноприемника. В зависимости от применяемой технологии, действие выполняется с извлечением буровой колонны или без этой операции, если оснастка установки предполагает работу со съемным керноприемником. Извлекают породу из трубы, помогая высвобождению образца легкими постукиваниями молотка по корпусу цилиндра.
6. Возврат колонны или носителя керна в скважину и продолжение бурения с чередованием операций до достижения проектной глубины выработки.

Состав промывочной жидкости зависит от многих факторов, основные из них — тип применяемой коронки и состояние пересекаемых слоев породы. При алмазном бурении используют специальную эмульсию, в других случаях — глинистый раствор. Пересекая песчаный грунт, для укрепления стенок выработки в раствор добавляют жидкое стекло.

Замена мокрому удалению бурового шлама — выдувание его из скважины при помощи сжатого воздуха, подаваемого на забой выработки. Участки с неустойчивыми породами проходятся с применением обсадных труб.

Преимущества и недостатки колонкового бурения

Среди преимуществ и недостатков колонкового бурения можно выделить следующие моменты:

• Высокая скорость колонкового бурения, что достигается точным воздействием режущих элементов. Это же снижает и степень разрушения породы грунта. Отсюда высокая производительность и быстрая скорость сдачи объекта.
• Возможность произвести геологоразведку, что значительно ускоряет дальнейшие этапы шнекового бурения.
• Большая область применения, включающая в себя строительство, оборудование скважин, а также прочие сферы.
• Возможность смены коронки, что позволяет за одну смену пробурить огромное количество метров. При этом частота оборотов долот может регулироваться, что дает возможность подстраиваться под тип грунта.

В конечном счете работа по обустройству дешевле, поэтому и конечному потребителю скважина обходится меньше.

Что касается недостатков, то сюда можно отнести необходимость использования промывки, а также глиняного раствора для дополнительного укрепления стенок скважины. Если этого не делать, то сухое колонковое бурение будет стоить еще дороже, чем воспользоваться шнековым буром или роторной буровой установкой.

Трубы колонковые (обсадные)

Эти изделия производятся по специально разработанному ГОСТу 51682-2000. Их назначение – колонковое бурение при разведке на твердые полезные ископаемые, для добычи воды, разведочно – геологических изыскательских работах и в строительстве для получения лидерных скважин.

Одной из распространенных исполнений изделия колонковые трубы являются изделия с соединениями в виде ниппелей. Оба конца таких деталей имеют наружную резьбу, а сами трубы – внутреннюю.

Материалом для изготовления обоих изделий является сталь по группе прочности «К», по согласованию с потребителем применяется сталь марки 45.

Чтобы повысить устойчивость поверхности к износу, колонковые трубы по их концам на расстоянии порядка 500 мм подвергаются закалке с применением ТВЧ. Для таких изделий твердость поверхности должна быть не менее 40 единиц по Роквеллу. А чтобы исключить «заедание» резьбы, ниппеля обрабатываются способом карбонитрации. Твердость поверхности по резьбе не менее 50 Роквелла. Длина ниппелей стандартная и составляет 170 мм.

Колонковые трубы допускается использовать по прямому назначению повторно.

Длины изделий варьируются в пределах 0.4 – 6 метров в зависимости от применяемых технологий бурения и особенностей применяемого для этого оборудования. Длина труб оговаривается в договоре на их поставку.

Оборудование для колонкового бурения

Чем бурить скважину при использовании технологии колонкового процесса, зависит от ее размеров и назначения. Спектр машин и приспособлений весьма разнообразен и широк.

Буровые станки и установки производятся по всему миру, что говорит о популярности способа водообеспечения из скважин. Для промышленного и разведочного бурения производятся агрегаты на базе тяжелых грузовиков, тракторов или вездеходов. А вот для водоснабжения предлагается целая гамма легкого оборудования, пригодного как для предприятий малого бизнеса, так и для использования при самостоятельном исполнения скважин на воду. Оборудование производится практически во всех странах мира.

Технологические особенности колонкового способа

Колонковое бурение скважин производится следующим образом:

1. В задании на выполнение работ указывают географические координаты скважины ее назначение и параметры.
2. Бурящая организация самостоятельно добирается до места назначения, применяя для этого самоходные бурильные установки на базе различных средств грузового автотранспорта или на гусеничном ходу.
3. Производится подготовка площадки под установку буровой установки, которая должна быть строго горизонтальной.
4. Изготавливаются емкости для воды или глинистого раствора, применяемого при бурении скважины.
5. Обычно для промывки скважины применяется чистая вода. Но при прохождении водно-песчаного слоя необходимо использовать глинистый раствор, в процессе бурения укрепляющий стенки шурфа от обрушения. В специальных случаях вместо глины применяется жидкое стекло.
6. Применение промывки при прохождении рыхлых гравийно – каменистых горизонтов неэффективно, ввиду того, что промывочная жидкость активно уходит внутрь грунта. В таких условиях единственным вариантом продолжения бурения является обсадка стенок скважины металлической трубой.
7. При необходимости исследования геологического разреза местности в месте бурения, керноприемник периодически извлекают для исследования образцов кернов.
8. В определенных условиях колонковое бурение становится более эффективным при продувке скважины сжатым воздухом от компрессора.
9. Колонковое бурение скважины по твердым грунтам возможно с обсаживанием ее стенок только при достижении проектной глубины.
10. Способ позволяет осуществлять бурение под углом, а также для проходки горизонтальных «проколов». В таком случае обсадка применяется с самого начала процесса.