Одним із найпродуктивніших і найекономічніших методів формування гірничих виробок є колонкове буріння свердловин. Його використовують у розвідці родовищ і в інженерній геології. До того ж це найпростіший і найшвидший спосіб отримання доступу до підземних вод для організації водопостачання.
Все про специфіку колонкового буріння, необхідний для його реалізації інструмент та особливості застосування ви дізнаєтеся із запропонованої нами статті.
Зміст статті:
Колонкове буріння - метод, що дає змогу з найбільшою точністю визначати глибину розташування покрівлі та підошви ґрунтових шарів, а також глибинну позначку дзеркала ґрунтових вод.
Колонкова бурова технологія широко застосовується в таких галузях:
Під час колонкового буріння витягується керн - стовпчик ґрунту або суміжних ґрунтових шарів. Керн характеризується цільною природною структурою, що забезпечує проведення всебічного аналізу досліджуваної породи. Буріння колонковою трубою дає змогу з найвищою точністю визначити глибину залягання породи з метою вивчення.
Використання колонкового бура в будівництві істотно полегшує і прискорює процеси. У підготовлений колонковим буром отвір легко забивається паля або монтується готова залізобетонна конструкція. Колонкове буріння дає змогу створювати циліндричні отвори в цегляних і бетонних конструкціях.
Відомі два методи використання колонкового бура: робота з подачею рідини на забій або на суху, тобто без бурового розчину.
Буріння без використання бурового розчину застосовується в разі, якщо незв'язні ґрунти просякнуті природною вологою в достатній для проходки і вилучення кількості. Воду також не подають у стовбур виробки під час проходки плиннопластичними, м'якопластичними і тугопластичними суглинками/глинами, твердими і пластичними супісками.
Рідину в обов'язковому порядку застосовують під час розбурювання скельних і напівскельних гірських порід. За відсутності води в цьому разі поглиблення відбувається значно повільніше. Крім цього істотно зростає ймовірність передчасного виходу з ладу коронки, у зв'язку з чим буріння на суху вважається більш витратним.
При бурінні з буровим розчином швидкість поглиблення істотно зростає. Найчастіше цей спосіб застосовується при бурінні свердловин значної глибини. Це дає змогу виконати роботи в найкоротші терміни з мінімальним ризиком пошкодження коронки.
Ще воду під високим напором подають на забій у процесі розроблення свердловини в пухких незв'язних ґрунтах, якщо відбір керна не є завданням. Струменем води в цьому разі просто промивають забій, звільняючи стовбур виробки від зруйнованого ґрунту.
Основним елементом при колонковому бурінні є руйнівна ріжуча деталь, встановлена на підошву колонкової труби. Називають її коронкою. Для проходки скельних порід застосовують особливі коронки, оснащені алмазними різцями.
Саме алмазна коронка забезпечує практично безперешкодне проходження бура на велику глибину під час проходки водозабірних виробок на вапняк. Тобто під час розроблення свердловин, заглиблених у корінні породи, у тріщинах яких унаслідок багатовікової конденсації формувалися запаси найчистішої підземної води.
Гірська порода розрізається за допомогою коронки, що обертається на високих обертах. Швидкість обертання бура можна регулювати залежно від щільності ґрунту, що розробляється. Коронка "вирізає" ґрунт тільки по краю своєрідного циліндра, центральна частина якого продавлюється в колонкову трубу.
Для вилучення керна буровий снаряд піднімають на поверхню. Захоплений ним ґрунт буквально видувають із колонкового бура струменем повітря, поданим у верхню частину труби. Процес видування прискорюють, простукуючи снаряд кувалдою.
Колонкові бури під час проходження міцних порід мають більшу продуктивність, ніж матричні та шарошечні долота. Це зумовлено високою швидкістю обертання бура, завдяки чому знижується ступінь прикладених зусиль на розробку.
До того ж, долота повністю руйнують породу, яку потрібно буде "вичерпувати" желонкою або подавати воду з напором для промивання забою. По суті доведеться двічі, а то й тричі проходити один і той самий відрізок: спочатку руйнувати, потім розчищати. Колонкова технологія дає змогу пройти і розчистити забій за один прийом.
Вибір верстата або бурової установки визначається призначенням свердловини та її діаметром. Популярність способу колонкового буріння зумовлює виробництво бурових установок і верстатів у всьому світі. Важкі трактори, вантажівки і всюдиходи підходять для установок, призначених для розвідувального буріння.
Найчастіше бурильне обладнання монтується на класичні автомобілі марок МАЗ, КАМАЗ, Урал. Однак є варіанти монтажу і на легшу техніку, яка застосовується для буріння свердловин на воду в приватному будівництві.
При ручному обертальному бурінні колонкову трубу замінює його історичний попередник - стакан. Цей снаряд являє собою укорочений варіант колонкової труби із загостреною кромкою на підошві. Стакан вручну або з використанням мотобура закручують у землю і витягають на поверхню все, що в нього набилося.
Під час реалізації колонкового буріння необхідне обладнання, що дає змогу проводити роботи на глибині, розробляти і витягувати найрізноманітніші типи гірських порід. Під час виконання робіт має забезпечуватися періодичний підйом на поверхню зруйнованого снарядом матеріалу.
Для якісного виконання робіт потрібно:
Представлений інструмент є стандартним набором для проведення буріння за колонковою технологією. В окремих випадках, залежно від складності розробки, можуть знадобитися додаткові інструменти та обладнання.
Конструкційна особливість снаряда під час колонкового буріння зумовлена максимальним збереженням цілісності керна і полягає в кільцеподібному розташуванні навколо вільного проходу. Однією з найважливіших характеристик вважається коефіцієнт керновідбору. Його визначають як відношення діаметра керна до зовнішнього діаметра інструмента.
Інструмент для колонкового буріння стандартизований, розрізняється в основному тільки діаметром. За конструкційними ознаками колонкові труби класифікують на одинарні та подвійні. Одинарні снаряди, призначені для роботи у звичайних геологічних умовах, чудово підходять для розробки водозабірних свердловин.
Подвійний інструмент із внутрішньою трубою, що не обертається, застосовують тільки в геологорозвідці. Потрібен він для вилучення зразків порід, які легко руйнуються під впливом найрізноманітніших чинників. Він дає змогу відібрати пробу в природному складі, з природним відсотковим вмістом корисних копалин і порожньої породи.
Усі колонкові труби розраховані на застосування продувки, подачі бурового розчину на забій і промивання свердловини. Їх верхівка оснащена технологічним отвором, через який проводиться нагнітання води або струменя повітря.
Будь-яка коронка представлена у вигляді кільця з різьбленням зверху, необхідним для прикручування до колонкової труби, і різцями, розташованими на нижньому торці. Різці бувають суцільнолитими або привареними до цієї ріжучої металевої деталі.
Під час колонкового буріння використовують такі коронки:
Твердосплавні ріжучі елементи призначені для буріння "м'яких" ґрунтів. З їхньою допомогою здійснюють буріння всіх видів глинистих порід будь-якої консистенції, напівскельних порід, маловологих і вологих пісків щільного складання і середньої щільності. Для проходки по пісковиках і мергелях беруть коронки з вольфрам-кобальтовими різцями.
Дрібнорізцеві коронки призначені для буріння середньої твердості порід малої абразивності. Вони обладнуються різцями восьмигранного або квадратного перетину. При розташуванні різців на різній висоті також досягається ступінчастість забою, переваги якої були викладені вище.
Ребристі коронки призначені для буріння твердих порід середньої абразивності. Різці таких коронок складаються зі сталевого циліндричного або призматичного штабика з твердосплавною вставкою. При цьому навіть у разі зносу коронки не знижується ефективність її роботи.
Коронки з алмазними різцями призначені для розбурювання скельних і напівскельних порід високої абразивності.
Число ребер визначається конструкцією коронки та її діаметром - їх може бути від трьох до шести. Прискорення процесу руйнування породи можна домогтися зміщенням вгору ребер щодо торця коронки. Таким чином, забезпечується ступінчастий забій і полегшується проходження промивної рідини.
Як колонкові, так і обсадні сталеві труби виробляються за ГОСТом 51682-2000. У геологорозвідці та в інженерній геології їх використовують для запобігання обвалення ґрунту на вибій, що не дало б змоги зрозуміти, на якій глибині один геологічний шар змінюється іншим.
В облаштуванні водозабірних виробок обсадні труби формують стінки свердловини. У зібрану з них обсадну колону занурюють ще одну, експлуатаційну, колону труб. Зараз її найчастіше збирають із пластику. Експлуатаційну колону забезпечують фільтром для утримування піщинок і дрібного гравію під час відкачування.
Найбільшого поширення набули обсадні труби з ніпельним з'єднанням. При цьому труби мають з одного боку внутрішнє різьблення, а з протилежного - зовнішнє. Стовбур виробки з труб з різьбленням збирається гранично просто і швидко.
Є обсадні труби, призначені для зварних з'єднань. У приватному секторі їх не використовують через трудомісткий процес складання колони.
Як обсадні, так і колонкові труби виготовляються зі сталі марки 45 з групою міцності "К". Для підвищення стійкості до поверхневого зносу кінці труб гартуються. Залежно від використовуваного бурового обладнання та діаметра заглибного насоса у влаштуванні приватних водозабірних виробок використовують труби діаметром від 100 до 200 мм.
До початку проведення робіт потрібно вивчити кадастровий план і провести підготовку робочої поверхні. Необхідно забезпечити безперешкодний під'їзд до місця проведення буріння як самої бурильної установки, так і машини з промивною рідиною.
Наступним кроком буде риття ями об'ємом не менше ніж 2 куб.м - це дасть змогу уникнути необхідності використання додаткового резервуара. Яма призначена для зливу ґрунтових вод і відпрацьованої промивної рідини. Для встановлення основної частини стовбура необхідно провести пробивання ґрунту.
Далі виконується з'єднання обраної коронки з буровою колонковою трубою і підбір обсадних труб, які в міру поглиблення буде нарощуватися. Установку слід надійно закріпити, після чого проводиться запуск бурового верстата.
У міру поглиблення і заповнення колонкового бура виконується періодичний його підйом на денну поверхню і прочищення від ґрунту, захопленого інструментом під час буріння. Після чого звільнений від керна бур знову можна занурювати в отвір свердловини для продовження буріння.
Для підйому наверх колону бурильних труб, що складається з колонкового снаряда і штанг, розбирають. Тобто послідовно відокремлюють штангу за штангою, поки не дістануть зі стовбура колонкову трубу.
Оптимальним варіантом для розробки свердловини приватникам вважається колонкове буріння, що супроводжується промиванням. Ніяких зразків відбирати в цьому разі не потрібно. Головне, швидко сформувати стовбур і очистити його від шламу. Одночасно з тим виконується підготовка вироблення до майбутньої експлуатації.
Для промивання можна використовувати будь-яку воду, цілком підійде з сусіднього ставка або річки. Буріння може проводитися і всуху, якщо розробляється свердловина на пісок. Зазвичай у цьому разі достатньо пари відер води як бурового розчину лише для охолодження снаряда на забої.
Під час роботи в пухких маловологих пісках для зміцнення стінок отвору в робочий розчин рекомендовано додавати рідке скло або глинисту масу. У будь-якому разі під час проходження бура крізь горизонт із нестійкою структурою виправданим буде зміцнення стінок свердловини обсадними трубами.
У процесі поглиблення можливе регулювання частоти обертання бура. Потрібно зазначити, що шари осадових гірських порід бур легко долає на низьких обертах. А ось при проходженні корінних скельних порід потрібне підвищення частоти обертання. За колонкового способу буріння можна проходити пласти різного складу і будь-якої твердості.
Необхідно враховувати той факт, що бурову установку потрібно розташовувати на підготовленому вирівняному горизонтальному майданчику. Кут проходки можна регулювати в разі, якщо діаметр розроблюваного отвору свердловини не перевищує 1 метра. Потім вертикальність вироблення підтримується обсадною колоною.
Обсадні труби можна використовувати повторно, якщо відразу після проходки витягти їх із виробки. Колонкова труба - снаряд багаторазового використання, чого не можна сказати про коронки. Для буріння в осадовому горизонті їх потрібно не менше двох, а то й більше. Під час спорудження свердловини на вапняк передбачити число стертих коронок із точністю неможливо.
Бурову установку можна монтувати на автомобільну техніку з високою вантажопідйомністю або на гусеничну спецтехніку в разі проведення робіт в умовах складного рельєфу. Легшу мобільну техніку можна використовувати під час буріння колонковим способом свердловин на воду.
Завдяки точковій дії коронки за своїм радіусом забезпечується акуратне вирізання і винесення на поверхню цільного керна. Технологія застосовна для буріння порід до XII категорії, можна працювати як перпендикулярно, так і під кутом.
Одним із найважливіших показників колонкового методу вважається висока продуктивність і швидкість буріння.
Крім цього можна виділити такі переваги:
Поряд із перевагами, колонкове буріння свердловин також має і свої недоліки:
Під час розроблення свердловин на воду в разі застосування глинистого розчину під час розкриття пласта велика ймовірність замулювання водоносного шару.
