Долото для бурения сплошным забоем и с отбором керна

Технология бурения скважин колонковым способом

Колонковое бурение скважин представляет собой весьма популярный способ проделывания скважинных отверстий. В отличие от стандартных полнопроходных долот (чаще всего используют долот PDC), коронками пользуются более точечно. Они не разрушают породу по всему периметру, а вырезают ее с помощью давления по радиусу рабочего инструмента.

Алмазная коронка для колонкового бурения скважин больших габаритов

Такая технология дает бурильщикам много интересных преимуществ, о которых сейчас и пойдет речь в данной статье.

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.

Обратите внимание

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

к меню ↑

Долото для бурения сплошным забоем и с отбором керна

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.

Сегодня часто используется бурение скважин. Благодаря этому мы получаем чистую питьевую воду и не зависим от сферы коммунальных услуг. Как вариант применяют колонковое бурение, которое считается наиболее эффективным за счёт частичного разрушения грунта по кольцевому контуру.

Это делает скважину жесткой, позволяет сопротивляться с большими нагрузками и служить дольше. В отличие от других способов и инструментов для бурения, подобная технология позволяет углубляться до 1000 м, что совершенно не ограничивает рабочих в зависимости от территории проведения работы.

Высокая эффективность рабочего процесса определяется производительностью бурильной установки, что вызвано уменьшением площади контакта фрезы с породой грунта.

Говоря о технологических особенностях, стоит выделить следующие аспекты и нюансы проведения работы:

  1. Для колонкового бурения подойдёт не только плотный, но и сыпучий грунт. Наличие большого разнообразия коронок позволяет бурить максимально плотные и твёрдые породы грунта.
  2. Ствол скважины на выходе получается идеально ровным, что обусловлено особенностями механизма. Наличие современного оборудования позволяет выполнять работы даже при наличии неровного ландшафта местности.
  3. Трубы, образующие колонну, можно использовать повторно, поскольку срок службы не ограничен.
  4. Оборудование для колонкового бурения предполагает своевременную замену коронки, поскольку спустя время она приходит в негодность и затупляется. Для увеличения срока службы коронки перед использованием новой насадки рекомендуется производить долбление грунта, что значительно продлевает срок службы изделия.
  5. Для идеального колонкового бурения площадка с буром должна находиться в ровной горизонтальной плоскости.

Если говорить о бытовой сфере деятельности подобных систем, то колонковый способ бурения предполагает монтаж бурильного оборудования на грузовые автомобили, где, например, выделяют Камаз, МАЗ, Урал и прочие варианты. Это добавляет проходимости, позволяет добираться в самые отдаленные уголки.

Наличие двигателей внутреннего сгорания позволяет использовать энергию этого двигателя для непосредственной работы автономно.

Долото для бурения сплошным забоем и с отбором керна

Практика показывает, что колонковый бур можно использовать в следующих отраслях:

  1. Горнодобывающая промышленность. Здесь крайне важно определить тип горной породы, чтобы правильно подобрать переходники с керном под буровую установку и изучить тип горной породы. Именно поэтому часто достают сам бур, чтобы определить породу залегания на конкретном участке.
  2. Водоснабжение в частной и промышленной сфере. Благодаря возможности бурить на большую глубину, такие системы широко используются в вопросах колонкового бурения скважин для водоснабжения домов и поселков городского типа.Такой способ позволяет получить экологически чистое строительство скважины. При соблюдении технологии вода на выходе получится чистой, что позволит ей использоваться даже в закрытом контуре отопления, пропуская через тепловые насосы. Но, чтобы этого добиться, важно провести геодезическое сопровождение строительства.
  3. Строительство. В основном такие установки используются для бурения в капитальном строительстве. То есть, при возведении многоэтажных домов сегодня активно используется технология свайных фундаментов, предполагающая предварительную подготовку основания. Для этого важна геологоразведка и инженерно-экологическое изыскание, которое позволяет определить залегание породы, наличие крупных камней на той или иной глубине. В подготовленное отверстие либо заливают или забивают сваю, либо устанавливают железобетонную конструкцию.

Особенностью такой технологии можно считать возможность пробурить грунт под нужным углом, а также в горизонтальной или вертикальной плоскости.

Суть технологии

В технологии колонкового бурения скважин грунта лежит разрушающий механизм, который представляет собой режущий элемент с алмазными проходками. Наличие алмазной коронки позволяет в короткие сроки проходить грунт на большую глубину независимо от диаметра.

По причине того, что количество оборотов вращения алмазной коронки будет высоким и сопротивление грунта также будет значительным, сама буровая установка должна быть тяжелой и мощной.

В качестве основы и мобильной установки выбирают грузовой автомобиль.

Сама коронка, а также специальная труба, на которой насажена фреза, должна быть выполнена из стали твердой породы, в том числе содержащей вольфрам, победит и алмаз. В качестве трубы используется пустотелый цилиндр.

Применение алмазных резцов по периметру трубы позволяет бурить равномерно, не разрушая грунт изнутри. Установка колонкового бурения при наличии бура диаметром до 160 мм позволяет преодолеть за одну смену 3 сотни метров. Именно это и является ценным преимуществом системы во время проведения геологоразведки.

Если геологоразведка прошла удачно, по этому же самому месту можно произвести повторное бурение, что в дальнейшем позволит оборудовать полноценную скважину или добывать твердые полезные ископаемые.

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.

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.

Способ колонкового бурения

Способ выполнения скважин с применением такого способа является наиболее производительным. Его особенность состоит в том, что разрушение грунта производится не по полному объему сечения отверстия, а по кольцевому контуру.

Неразрушенная часть из середины ствола, называемая керном, выводится по внутреннему объему бурильной (колонковой трубы). Таким образом, колонковое бурение скважин позволяет получить точное подземное строение грунтов в зоне выполнения работ.

Этому способствует также высокая производительность процесса, достигаемая за счет уменьшенной площади контакта бурильного инструмента с грунтами.

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

Рис.1. 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.

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.

Рис.2. Труба колонковая и ниппель к ней

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

Важно

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

Рис.3. Схема колонкового бурения

  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.

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

Рис.4. Малогабаритная буровая установкаРис.5. Буровые станки и установки различного назначения

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.

Рис.6. Мобильная буровая установка на гусеничном ходу

К несомненным положительным сторонам процесса следует отнести такие, как:

  • относительно высокую скорость проходки на любых грунтах, снижающую себестоимость объекта в целом;
  • возможность подробного изучения геофизических данных на участке бурения по кернам;
  • пониженную энергоемкость процесса.

В то же время имеется существенный недостаток, характерный для всех процессов, при которых применяется глинистый раствор – возможное заиливание водоносного слоя продуктами промывки при вскрытии пласта.

Какие этапы и нюансы колонкового бурения?

Теперь рассмотрим непосредственно технологию бурения, так как в ней тоже есть свои нюансы. На них стоит обратить внимание в обязательном порядке.

Применение технологии колонкового бурения

Применение технологии колонкового бурения

Буровая установка для колонкового бурения в ходе работы выполняет следующие этапы:

  • Подготовка поверхности, где будет производиться монтаж установки.
  • Формирование ям в грунте в непосредственной близости от площадки для закачки промывочного раствора. После этих работ начинается процесс бурения скважин.
  • Бурение, когда буровой снаряд вращается и проникает в почву. Параллельно с этим процессом в отверстие подаётся промывочная жидкость: вода или специальный раствор.
  • Наполнение трубы керном. Периодически шнек необходимо извлекать на поверхность, по керну можно без труда определить глубину сформированного отверстия.

Первые два этапа выполняются скорее рабочим персоналом. Последние же два — это уже использование непосредственно бурильной системы колонковой разработки.

При работе необходимо обращать внимание на следующие нюансы:

  • Бурение скважин для воды следует производить с промывкой. Воду применяют там, где присутствует устойчивый грунт. Когда обрабатывается песчаная порода, то для промывки применяется специальный раствор, который укрепляет скважину. Для этих целей подходит жидкое стекло или глинистая масса.
  • Вместо промывочного раствора может применяться воздух, который поступает в скважину по колонковой трубе.
  • Когда работа ведётся на неустойчивом грунте, то применение промывочных жидкостей неэффективно. Укрепление скважин производят обсадными трубами.
  • Частота вращения бурового снаряда регулируется в зависимости от прочности грунта.
  • Если работы ведутся в слоях твердых пород, то установка обсадных труб производится на заключительном этапе бурения.

к меню ↑