Колонковое бурение скважин - принцип, технология, плюсы и минусы

Что это такое?

Характерной особенностью данного способа является извлекаемый на поверхность керн. Он представляет собой столб материала цилиндрической формы, который отбирается на пробу и транспортируется на поверхность при помощи подъемника шнекового типа. Пласты видны в разрезе, чего не может дать ни один известный способ бурения на сегодняшний день. Например, именно таким методом была пробурена Кольская сверхглубокая скважина. Кроме того, в процессе применения при пробуривании скважин на воду его надежность составляет 100%.

Применять методику можно со всеми видами пород до глубины 1000 метров, когда срезы пластов уходят наверх с определенным временным промежутком.

Если говорить о технологических особенностях колонкового бурения, то к ним относят несколько факторов.

• Для такого типа бурения подходят практически все грунты. То есть не только на плотном, но и на сыпучем грунте можно использовать данный метод. А наличие довольно большого количества буровых коронок дает возможность использовать его как в трудноотбираемых породах, так и применять для неосложненных условий.
• Скважинный ствол в результате получается максимально ровным из-за особенностей механизма бурения. А современное оборудование позволяет осуществлять работы даже на местности, где присутствует неровный ландшафт.
• Трубы, которые формируют колонну, можно применять повторно, ведь их срок службы является неограниченным.
• Оборудование для бурения такого типа предполагает замену коронки время от времени, ведь по мере применения она приходит в негодность и становится тупой. Чтобы увеличить срок ее использования, перед применением новой насадки потребуется немного продолбить грунт, что позволит использовать буровые коронки дольше обычного.
• Чтобы такой тип бурения был идеальным, площадка, на которой располагается бур, должна быть в ровной плоскости горизонтального типа.

Кроме того, небольшие диаметры буров, которые тут используются, дают возможность быстро преодолевать немалые расстояния под землей всего за несколько часов. Это будет крайне актуально при залегании воды довольно глубоко.

К недостаткам данного способа относятся:

• малое сечение бурения, из-за чего нельзя применять мощные погружные насосы;
• может возникать заклинивание керна, что увеличивает временные затраты на реализацию такой технологии.

А также существенным недостатком является быстрое затупление коронки из-за перегрева в работе с породами высокой твердости.

Какие задачи решает колонковое бурение?

Современные буровые технологии позволяют вести проходку различными способами. Но не все из них соответствуют задачам, решаемым нашими геологами в ходе изыскательских исследований.

• мы устанавливаем порядок чередования литологических горизонтов;
• определяем структуру грунта;
• отбираем представительные пробы для изучения состава и свойств пород, проведения минералогического анализа в нашем лабораторном центре.

Важно! Хорошая инженерно-геологическая скважина должна обеспечивать все указанные потребности изыскателей, и этим требованиям как нельзя лучше соответствует колонковое бурение скважин.

Чем отличается колонковое бурение скважин от других видов бурения?

Нашими специалистами, отвечающими за буровые работы, колонковое бурение скважин в Москве и Московской области проводится, когда требуется отобрать и изучить керн – не раздробленный в ходе бурения геологический материал. С учетом такой цели, применяемая нами технология колонкового бурения обладает отличительными особенностями.

1. Бурение ведется кольцевым забоем. Это значит, что наше оборудование обеспечивает не сплошное разрушение породы на забое, а лишь по его периметру. «Сердцевина» скважины (керн) остается целой.
2. Необходимый нам керн может пострадать не только от воздействия бура. Циркуляционная промывка ствола скважины, проводящаяся для охлаждения бурового наконечника в процессе работы и выноса на поверхность земли шлама (разрушенных частиц грунта), также может ему повредить. Поэтому колонковый буровой снаряд сконструирован так, что промывочная жидкость поступает в призабойную зону по специальным каналам, не размывая керн.

Основные понятия и особенности

Для разведки самым эффективным способом в 21 веке остается именно такое бурение скважин, технология которого предусматривает не дробление и извлечение породы, а сохранение ее в первозданном виде. Достигается это при помощи специальных насадок, которые производят резку лишь по периметру, тогда как в центре все остается нетронутым.

Максимальный диаметр – 160 мм, но чаще всего используются меньшие варианты, т.к. это позволяет проходить сквозь породу гораздо быстрее. Массивные более удобны в случаях, когда предстоит работать с пластами твердых пород, которые могут изогнуть или вовсе сломать небольшие коронки. При работе используются алмазные или твердосплавные коронки, т.к. все остальные варианты неспособны выдержать подобной нагрузки.

Традиционно используются различные методы буровых работ.

Технология колонкового бурения с промывкой: 1- насос для бурения; 2- шланг для нагнетания воды; 3- сальник; 4- колонна бурового инструмента; 5- переходник; 6- колонковая труба; 7- коронка; 8- желоба; 9- отстойник; 10- бак для промывочной жидкости

На сухую бурится достаточно часто, т.к. далеко не всегда есть возможность запасти необходимый объем воды и поддерживать его в надлежащем состоянии. Данный вариант медленный, причем достаточно дорогой, т.к. шанс на слом у коронки значительно повышается.

Бурение скважин с промывкой более надежно и позволяет продвигаться гораздо быстрее. Такой вариант весьма удобен в тех случаях, когда нужно сделать очень глубокие колодцы, причем начальный этап деятельности не интересует.

Извлеченный керн находится ровно в таком состоянии, как до этого находился под землей, благодаря чему можно осуществлять изучение материала на любой глубине. Поднимается вверх он 2-мя способами:

1. Труба извлекается наружу, и из нее выбивается порода. Удобно на небольшой глубине, т.к. не потребуется присутствия дополнительной сложной техники.
2. По специальной трубе-подъемнику керн выходит на поверхность. Другого варианта быстро извлечь породу с глубины в 1000 м не существует.

Рабочая деятельность

Машина для колонкового бурения скважин отличается высокой скоростью вращения бура.

Внешне машина для бурения скважин таким способом ничем не отличается от привычного шнекового, но на практике скорость вращения бура гораздо выше.

Перед началом работ нужно выкопать яму под промывочную жидкость. Глубина ямы делается обычно 1,5-2 м минимум, т.к. работа предстоит долгая. После этого вся остальная рабочая площадка очищается и разравнивается. Лишь на данном этапе можно начинать сборку машины для бурения скважин.

После того как все собрано, нужно смонтировать систему очистки промывочной жидкости от шлама (лишней извлеченной породы). Для воды используются более тонкая очистка, тогда как глиняный раствор очищается путем грубой очистки.

Схема бурения скважин организуется следующим образом:

1. Пробивается ход в земле на нужную глубину.
2. Во время буровой деятельности попутно идет ведро желонка. Именно в данной желонке скапливается порода, а при достижении максимального уровня ее извлекают.
3. После того как желонка извлечена, на ее место фиксируется сменная.
4. При помощи молотка ведро опорожняется. Удары наносятся по нижней части методично, но не очень сильно, дабы не повредить металл. При этом из трубы извлекаются продолговатые элементы породы, которые нужно осторожно руками собирать и откладывать для дальнейшего изучения.
5. За время опорожнения желонки ей на смену приходит новая, после чего рабочая деятельность начинается с самого начала.

Плюсы и минусы колонкового бурения

Для устройств, способных бурить скважины километровой глубины, станки колонкового типа являются сравнительно легкими и маневренными. Сложный рельеф местности для них не является препятствием. Постоянное совершенствование технологии и бурового инструмента сделали этот метод универсальным, способным заменить любой из других способов проходки скважин.

К преимуществам колонкового бурения относятся:

• цельность извлекаемых из выработки образцов породы;
• малый диаметр скважин, позволяющий достигать больших глубин;
• доступность разрушения грунтов различной крепости за счет возможности замены стальных коронок алмазным инструментом;
• способность бурить вертикальные (в том числе восходящие) и горизонтальные скважины;
• уменьшенная площадь резания массива обеспечивает высокую скорость проходки: часть породы не разрушается, а извлекается целиком.

К недостатку колонкового способа бурения относят необходимость применения глинистого раствора при строительстве водозаборных скважин, увеличивающая риск заиливания водоносного пласта промывкой. Чтобы избежать этого, можно использовать сухое удаление частиц породы.

Виды скважин, их плюсы и минусы

Все скважины делятся на 3 типа: абиссинский колодец (игла), фильтровая и артезианская.

Абиссинский колодец

Эта конструкция — скважина-игла, она может иметь глубину от 4 до 12 метров. Несмотря на название, включающее слово «колодец», ее отличие от него существенно. Для ее сооружения используют трубы небольшого диаметра. Первый элемент, являющийся фильтром, снабжают острым наконечником, затем забивают в землю, наращивая следующие отрезки. Нередко применяют шнековое бурение. Чтобы поднимать воду на поверхность, используют насос. Средняя производительность иглы составляет 1 м3/ч.

Главное достоинство этой конструкции — возможность сооружения ее в любом месте. Например, для многих идеалом становится скважина в доме, в подвале. Другие плюсы этого способа:

• простота конструкции, она дает возможность справиться с работой самостоятельно, причем даже за день;
• независимость от электричества, если используется ручной насос;
• небольшие траты, поскольку комплектующие доступны;
• относительно легкий монтаж, простой демонтаж;
• неплохой дебит (производительность).

Минусы:

• неудовлетворительное качество воды;
• невозможность сооружения, если грунт твердый.

При постоянном использовании игла способна функционировать без проблем около 10 лет. Если забор воды будет осуществляться в определенные сезоны, то игле грозит заиливание. Источник потребует чистки.

Фильтрующая скважина

Ее еще называют скважиной на песок. В этом случае глубина гораздо больше — 15-50 м. Фильтровая скважина включает обсадную трубу с оголовком, придонный фильтр, оборудованный в нижней части колонны, и насоса. На участках с мягким грунтом, используют шнековое бурение, в других случаях применяют роторные буровые установки. Ее производительность больше — уже 1,5-4 м3/ч.

Достоинства:

• более долгий срок службы;
• хорошее качество воды;
• отличный дебит.

Недостатки:

• сложность обслуживания;
• большие траты на сооружение;
• обязательное разрешение на проведение работ;
• повышенная минерализация, требующая фильтрации воды.

Фильтрующая скважина прослужит дольше абиссинской: ее минимальный срок эксплуатации — 15 лет. В большинстве случаев, из-за сложности работ, для бурения таких скважин нанимают подрядчика.

Артезианский источник

Это самый дорогой вариант из-за глубины залегания водоносной жилы: она находится между слоями горных пород (чаще это известняк), расположенных в 70-100 м от поверхности. Конструкция аналогична предыдущей скважине, однако для нее необходим мощный погружной насос. Самый большой плюс источника — характеристики воды. Производительность артезианской скважины — более 3 (5) м3/ч.

Преимущества:

• вода идеального качества;
• большой ее объем в любое время;
• длительный срок эксплуатации источника;
• автономность, не требующая серьезного обслуживания.

Слабые стороны:

• невозможность добывать воду вручную;
• обязательное лицензирование источника;
• бурение, которое проводят только специалисты;
• большие траты на сооружение артезианского источника;
• необходимость максимально мощного насосного оборудования.

Специфика колонкового бурения

Колонковое бурение — механический вращательный метод, при осуществлении которого глинистый или плотный песчаный грунт извлекается в виде керна цилиндрической формы. Буровой снаряд для колонкового бурения представляет собой толстостенную металлическую трубу.

Вверху колонкового бурового снаряда расположено приспособление для присоединения штанг, необходимых для наращивания буровой колонны. Внизу — коронка, вид которой подбирается в зависимости от категории подлежащего бурению грунта.

Используемое оборудование и инструменты

Для колонкового бурения используются следующие инструменты:

• буровые коронки из алмазного или другого твёрдосплавного материала (сталь, вольфрам, победит);
• колонковая труба;
• труба для отвода шлама;
• штанги, требующиеся для наращивания буровой колонны;
• муфтовые соединения, переходники между трубами, промывочный сальник.

При бурении в скальных породах буровая коронка быстро изнашивается и подлежит замене. Материал коронки — дорогостоящий, выдерживающий колоссальные нагрузки, наибольшее распространение получили алмазные буровые варианты. Все используемые в процессе бурения инструменты должны соответствовать соосности, т.е. располагаться ровно относительно оси бурения.

Технология колонкового бурения

Главная особенность колонкового бурения — прохождение породы с полным её сохранением в колонковой колонне. Т.е., при работе бурильного оборудования коронка по кольцу разрушает грунт, который по мере заглубления проталкивается в колонковую трубу и удерживается в ней за счет собственной плотности. При извлечении наполненной трубы из ствола выработки, ее освобождают от керна путем простукивания кувалдой.

Поэтапный процесс колонкового бурения выглядит следующим образом:

• бурильную коронку соединяют с колонковой трубой;
• колонковая труба соединяется со штангами, которые наращиваются по мере углубления;
• верхняя штанга закрепляется в буровом станке;
• бурильный станок вращает буровую колонну и постепенно «ввинчивает» ее в грунт;
• колонковая труба постепенно наполняется керном — заклинившим в ее полости грунтом;
• после проходки 50 — 70 см буровая колонна извлекается на поверхность, штанги по очереди отсоединяются до тех пор, пока не извлечется колонковая труба;
• трубу освобождают от выбуренной породы;
• опорожненный снаряд снова опускают на забой, наращивая буровую колонну штангами.

Действия производятся в описанном порядке до тех пор, пока скважина не вскроет водоносный горизонт и не заглубится на 50 см в нижележащую водонепроницаемую породу.

Если фиксация верхнего водоносного горизонта не является целью проходки, то верхние слои можно бурить с промывкой. В этом случае насос продаёт промывочный раствор через шланг внутрь труб. Затем раствор выносит выработанный грунт на поверхность.

Если целью устройства скважины не является водоносный слой в песчаных отложениях, бурение до достижения скальных пород может проводиться с промывкой

Веские достоинства и недостатки

В сравнении с ударно-канатным и роторным способом механического бурения колонковое производится довольно быстро, значительно сокращая время проведения работ. Главный его недостаток — невозможность подъема рыхлых грунтов и насыщенных водой галечников. Медленно продвигается по скальным породам, для проходки валунов требуется долото.

К достоинствам колонкового бурения относят:

• высокую производительность и возможность бурить скважины глубиной свыше 100 м;
• сокращение нагрузок на бурильное оборудование за счёт разрушения глинистой породы, сравнимым с ее вырезанием;
• возможность применения мобильной буровой установки компактных габаритов.

Колонковое бурение — один из самых скоростных методов устройства водозаборных выработок. Скважину на песок с его применением можно пройти за один рабочий день.

Функции бурильной колонны

Все пространство скважины между рабочим инструментом в забое и приводным оборудованием на поверхности заполняет соединительный элемент – буровая колонна.

Ее функции:

• передача энергии вращения к долоту;
• подвод промывочного раствора к долоту, обратная транспортировка вместе со шламом;
• при работе электрическим буром – монтаж токопровода;
• верхняя нагрузка на долото;
• подъем и спуск долота;
• дополнительные контрольные работы.

Неразъемная в процессе работы часть колонны из свинченных друг с другом 2-4 бурильных труб называется бурильной свечой.

Описание технологии

Чаще всего данная технология используется для операций исследовательской направленности. Обычно для подобных целей применяется бурильная установка на обычном автошасси. Хотя при работах на непростых рельефах может применяться и спецтехника. Речь идет об устройствах гусеничного типа, а также специальных системах, предназначенных только для бурения. Станок колонкового бурения используется на высоких оборотах со старта и до окончания техпроцесса. Это обуславливает факт быстрого изнашивания буровых колонок. Правда, вращательную скорость можно настраивать в зависимости от степени твердости пород.

Такое бурение предполагает обязательное промывание. Для этого буровой станок применяет обычную воду либо спецрастворы, что защищают скважину от разрушения и обвалов породы. Алмазное устройство производит сплошное бурение исключительно по краю, по причине чего внутренняя порода уходит в ствол шнека и выходит наверх. Такая методика предполагает, что весь применяющийся инструмент соответствует соосности скважины, что формируется.

Буровой станок для рассматриваемого типа бурения может производить работу с породами высокой прочности. В подобных условиях он будет даже более производительным, чем обычные долота матричного либо шарошечного типа, ведь прилагается меньшее количество усилий для создания аккуратных отверстий в земле. Для таких целей применяют специально созданные твердосплавные инструменты. Алмазные породоразрущающие приспособления должны меняться либо восстанавливаться, если они теряют свои свойства и не могут эффективно выполнять поставленную задачу.

Новую коронку перед применением обрабатывают при помощи бурильного долота. А иногда для восстановления работоспособности коронки необходимо просто произвести замену кольца, оснащенного резцами. Когда механизмы станка бура для колонкового бурения свою функцию осуществили, начинается применение машин шнекового типа, что завершают процесс пробуривания скважины.

Сферы использования подобной технологии

Среди точек применения колонкового бурения скважин, стоит выделить несколько основны.

Горнодобывающая промышленность – разработка горных месторождений твердых полезных ископаемых.

Результат прохода – керн с цельной структурой, по которому выполняют анализ пород в этой местности. Его периодически извлекают, чтобы узнать картину залегания пород на этом участке.

Автономное водоснабжение – организация процесса нуждается в исследовании недр частных землевладений, чтобы иметь доступ к подземным источникам воды. Гидрогеологическое бурение необходимо для выбора местонахождения водной скважины.

Строительство – для бурения диктующей скважины под забивку свай – обустраивая свайные фундаменты. Строителям нужно знать, на какой глубине будет песчаная прослойка или начинаются крупные камни. От этого зависит устойчивость здания. Подобная технология идеальна, чтобы в железобетонных конструкциях просверлить отверстия большого диаметра.

Подобный способ подходит для вертикального прохождения скважин, горизонтального и под нужным углом.

Способы извлечения керна

При небольшой глубине колонковой скважины выемка грунта не автоматизирована: при заполнении керноприемника мы поднимаем на поверхность всю колонну и выбиваем керн специальным инструментом.

На больших глубинах это способ непроизводителен. В таких случаях мы используем трубы со съемным керноприемником: последний расположен внутри трубы и по мере заполнения поднимается наверх по ее стволу.

Другой вариант для относительно неглубоких скважин – т.н. гидротранспорт. Суть в том, что бурение может быть сухим либо с промывкой. Во втором случае процесс идет так:

• посредством гибкого шланга от насоса, расположенного на поверхности, через сальник, которым оснащается верхняя часть колонны, жидкость закачивается в скважину;
• шлам поднимается наверх вместе с промывочной жидкостью по промежутку между внутренней и внешней стенками колонковой трубы.

Мы предпочитаем сухому бурению вариант с промывкой. Его преимущества:

• при сухом бурении коронки изнашиваются быстрее;
• технология с промывкой очевидно эффективнее, выше скорость.

В качестве жидкости могут быть использованы:

• вода;
• глинистый раствор – предпочтителен на мягких грунтах, т.к. связывает и укрепляет стенки скважины, предотвращая их осыпание. Вместо глины в состав раствора может входить жидкое стекло;
• для промывки скважин в твердых породах, при проходке алмазным буром, мы применяем специальную эмульсию. Она выполняет функцию промывочного раствора, а также смазки для инструмента. Снижает трение, уменьшает вибрации.

Иногда вместо промывки мы применяем продувку сжатым воздухом (например, при разбуривании вечномерзлых пород).

Важно: на рыхлом грунте глинистого раствора бывает недостаточно для укрепления стенок. В этом случае мы используем обсадные трубы.

Этапы процесса

Технология реализуется в такой последовательности:

• Поверхность очищают от мусора и посторонних предметов.
• Недалеко от будущего отверстия роют яму двухметровой глубины для слива промывочной жидкости.
• В грунте пробивают отверстие для размещения бура, коронку соединяют с колонковой трубой, она наращивается по мере проходки.
• После с бурильными трубами – верхняя закрепляется в буровом станке, работающем от двигателя – в такой способ начинается проходка.
• При полном заполнении трубы ее поднимают на поверхность, извлекая из нее породу при помощи молотка, удары наносят не слишком сильно.
• Бур опять погружают в скважину и бурят, пока не достигнут необходимой глубины.

Бурение проходит с промывкой, но если для этого нет достаточного объема воды, рабочий процесс осуществляют на сухую. Если в работе специалисты задействуют алмазный инструмент, для регулярной промывки они используют специальную эмульсию.

В случае песчаного грунта, добавляют в раствор жидкое стекло, глинистую массу, укрепляющие стенки отверстия.

Для грунтов с неустойчивой структурой, скважину, в процессе углубления, укрепляют обсадными трубами. Часто, вместо промывания водой, используют более дешевую продувку сжатым воздухом.

Оборудование для продувки скважин сжатым воздухом

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

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. 

Технология проведения работ и оборудование

Известны два метода использования колонкового бура: работа с подачей жидкости на забой или на сухую, то есть без бурового раствора.

Бурение без использования бурового раствора применяется в случае, если несвязные грунты пропитаны естественной влагой в достаточном для проходки и извлечения количестве. Воду также не подают в ствол выработки при проходке по текучепластичным, мягкопластичным и тугоппластичным суглинкам/глинам, твердым и пластичным супесям.

Жидкость в обязательном порядке применяют при разбуривании скальных и полускальных горных пород. При отсутствии воды в этом случае углубление происходит значительно медленнее. Помимо этого существенно возрастает вероятность преждевременного выхода из строя коронки, в связи с чем бурение на сухую считается более затратным.

Технология колонкового бурения скважины с промывкой позволяет не только продлить службу рабочего оборудования, но и наиболее скоростным и наименее трудоемким способом освободить забой от разрушенной породы

При бурении с буровым раствором скорость углубления существенно возрастает. Чаще всего данный способ применяется при бурении скважин значительной глубины. Это позволяет выполнить работы в кратчайшие сроки с минимальным риском повреждения коронки.

Еще воду под высоким напором подают на забой в процессе разработки скважины в рыхлых несвязных грунтах, если отбор керна не является задачей. Струей воды в данном случае просто промывают забой, освобождая ствол выработки от разрушенного грунта.

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.

Коронки – режущие сменные элементы, которые прикручиваются к нижней кромке колонковой трубы. В процессе бурения их приходится менять несколько раз

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.

Буровые коронки меняют простейшим способом – удаляют истершуюся деталь и навинчивают на колонковую трубу новую коронку

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

Оборудование для проходки скважин

Очень важно правильно подобрать все составляющие, в зависимости от предстоящих работ. Кроме того, в ходе процесса необходимо регулярно производить замену резцов, а также осуществлять осмотр и техническое обслуживание. Ниже перечислим элементы.

Набор инструментов

Вот что понадобится:

• Снаряды. Тонкостенные применяются для горизонтальных отверстий, а стандартные используются под любым углом. Часто они нужны при прокладке инженерных систем.
• Коронки. Это те самые резцы, которые предназначены для точечного разрушения пород. Они могут быть из латуни или из твердых сплавов, с алмазным напылением.
• Обсадные трубы. Они формируют цилиндрическую форму скважины.
• Штанги. Это как переходники или удлинители, нужны для работ на больших глубинах.
• Шнековые подъемники для транспортировки отработанного материала.
• Промывочные сальники и прочие комплектующие.

Особенности трубы

Конструкция специально предназначена для сохранения в целости керна, поэтому изнутри вся она без сильных выступов. При выборе учитывают не только диаметр, но и такой показатель, как коэффициент керноотбора.

Есть два вида инструмента:

• Одинарный. Подходит для бурения в простых условиях, в основном применяется для гидродобычи.
• Двойной. Конструктивно он отличается тем, что внутренняя труба не вращается, что позволяет сохранить пробу почвы в нетронутом виде. Эта технология применяется в геологической разведке.

Особенности коронки

Кольцо с резьбой (цельнолитой или приваренной) прикручивается к подошве трубы. Они отличаются по материалу изготовления (алмазные, твердосплавные, вольфрам-кобальтовые и пр.), а также по своему строению (мелкорезцовые, ребристые, с восьмигранными или квадратным сечениями и т. д.). Их также различает диаметр и количество ребер.

Обсадные трубы

Они нужны, чтобы края колодца не осыпались. Могут быть стальными, но при водоподготовке сейчас намного чаще используют легкие пластиковые. Кроме того, они могут быть снабжены фильтрующими устройствами, пескоуловителями.

Стандартный набор бурового инструмента

Для качественного выполнения работ требуется:

• Колонковые снаряды. Применяются как для горизонтального бурения, так и для проходки вертикальных выработок. С помощью стандартных колонковых труб возможно проведение бурения под углом до 45 градусов. Тонкостенные колонковые снаряды могут быть использованы исключительно лишь для горизонтального бестраншейного бурения при прокладке коммуникаций.
• Коронки. Это разрушающий породу инструмент, которым оснащается колонковая труба для облегчения вырезки керна в горной породе. Для бурения осадочных связных и несвязных грунтов применяются латунные коронки. Для проходки скальных пород, формирования отверстий в бетоне, асфальте, кирпичной стене выпускают твердосплавные коронки с алмазными резцами.
• Стальные обсадные трубы. Необходимы для обсаживания выработки – формирования ствола скважины, производимого одновременно с ее заглублением. Их диаметр равен диаметру скважины. Обсадку для водозабора подбирают заранее, ориентируясь на диаметр колонковой трубы и насоса, который планируется эксплуатировать в скважине.
• Штанги. Это скручиваемые между собой узкие трубы. Используются для наращивания буровой колонны. Проще говоря, они поочередно привинчиваются к вершине колонковой трубы, чтобы ей можно было передать вращательное движение на глубине, превышающей высоту снаряда. Высота колонковой трубы + высота колонны буровых штанг = глубина выработки.
• Переводники. Необходимы для обеспечения стыковки резьбовых соединений различающегося диаметра, которые присутствуют на буровых штангах, вращателях , промывочных сальниках и других комплектующих.
• Промывочные пробки и сальники. С их помощью обеспечивается подъем на поверхность разрушенного грунта, если нет необходимости в отборе цельного керна. В этом случае на забой подается вода, вымывающая под напором разрушенный грунт на дневную поверхность.
• Долота. Их используют с целью углубления отверстия скважины в наиболее трудных для прохождения колонкового бура местах. При применении долота иногда с вращательного бурения переходят на ударно-канатное.

Представленный инструмент является стандартным набором для проведения бурения по колонковой технологии. В отдельных случаях, в зависимости от сложности разработки, могут потребоваться дополнительные инструменты и оборудование.

Особенности конструкции колонковой трубы

Конструкционная особенность снаряда при колонковом бурении обусловлена максимальным сохранением целостности керна и заключается в кольцеобразном расположении вокруг свободного прохода. Одной из важнейших характеристик считается коэффициент керноотбора. Его определяют как отношение диаметра керна к наружному диаметру инструмента.

Инструмент для колонкового бурения стандартизирован, различается в основном только диаметром. По конструкционным признакам колонковые трубы классифицируют на одинарные и двойные. Одинарные снаряды, предназначеные для работы в обычных геологических условиях, отлично подходят для разработки водозаборных скважин.

Двойной инструмент с не вращающейся внутренней трубой применяют только в геологоразведке. Нужен он для извлечения образцов пород, которые легко разрушаются под воздействием самых разных факторов. Он позволяет отобрать пробу в естественном сложении, с природным процентным содержанием полезных ископаемых и пустой породы.

Все колонковые трубы рассчитаны на применение продувки, подачи бурового раствора на забой и промывки скважины. Их верхушка оснащена технологическим отверстием, через которого производится нагнетание воды или струи воздуха.

Специфика режущей части снаряда

Любая коронка представлена в виде кольца с находящейся сверху резьбой, необходимой для прикручивания к колонковой трубе, и резцами, расположенными на нижнем торце. Резцы бывают цельнолитыми или приваренными к этой режущей металлической детали.

При колонковом бурении используют следующие коронки:

• Твердосплавные – мелкорезцовые , ребристые.
• Алмазные – импрегнированные и мелкоалмазные .

Твердосплавные режущие элементы предназначены для бурения “мягких” грунтов. С их помощью производится бурение всех видов глинистых пород любой консистенции, полускальных пород, маловлажных и влажных песков плотного сложения и средней плотности. Для проходки по песчаникам и мергелям берут коронки с вольфрам-кобальтовыми резцами.

Мелкорезцовые коронки предназначены для бурения средней твердости пород малой абразивности . Они оборудуются резцами восьмигранного либо квадратного сечения. При расположении резцов на различной высоте также достигается ступенчатость забоя, преимущества которой были изложены выше.

Ребристые коронки предназначены для бурения твердых пород средней абразивности . Резцы таких коронок состоят из стального цилиндрического либо призматического штабика с твердосплавной вставкой. При этом даже в случае износа коронки не снижается эффективность ее работы.

Коронки с алмазными резцами предназначены для разбуривания скальных и полускальных пород высокой абразивности .

Число ребер определяется конструкцией коронки и ее диаметром – их может быть от трех до шести. Ускорения процесса разрушения породы можно добиться смещением вверх ребер относительно торца коронки. Таким образом, обеспечивается ступенчатый забой и облегчается прохождение промывочной жидкости.

Трубы для обсаживания ствола скважины

Как колонковые, так и обсадные стальные трубы производятся по ГОСТу 51682-2000. В геологоразведке и в инженерной геологии они используются для предотвращения обрушения грунта на забой, что не позволило бы понять, на какой глубине один геологический слой сменяется другим.

В обустройстве водозаборных выработок обсадные трубы формируют стенки скважины. В собранную из них обсадную колонну погружают еще одну, эксплуатационную, колонну труб. Сейчас ее чаще всего собирают из пластика. Эксплуатационную колонну снабжают фильтром для удерживания песчинок и мелкого гравия при откачке.

Наибольшее распространение получили обсадные трубы с ниппельным соединением. При этом трубы имеют с одной стороны внутреннюю резьбу, а с противоположной – наружную. Ствол выработки из труб с резьбой собирается предельно просто и быстро.

Есть обсадные трубы, предназначенные для сварных соединений. В частном секторе их не используют из-за трудоемкого процесса сборки колонны.

Как обсадные, так и колонковые трубы изготавливаются из стали марки 45 с группой прочности «К». Для повышения устойчивости к поверхностному износу концы труб закаливаются. В зависимости от используемого бурового оборудования и диаметра погружного насоса в устройстве частных водозаборных выработок используют трубы диаметром от 100 до 200 мм.

Дополнительные аспекты и итоги

Типы алмазных коронок: a – однослойная; б – многослойная; в – импрегнированная; 1 – объёмные алмазы; 2 – подрезные алмазы; 3 – матрица; 4 – корпус коронки; 5 – матрица, насыщенная мелкими алмазами.

Если есть необходимость осуществлять колонковое бурение на высоких оборотах алмазной коронкой, то придется использовать для промывки специальные эмульсии.

При работе в особо сложных условиях (твердые породы или абразив) нередко приходится приостанавливать деятельность, дабы заменить коронки. Чем прочнее порода, тем быстрее происходит затупление, поэтому всегда приходится иметь в запасе несколько экземпляров.

Самую большую сложность представляют скважины, которые обваливаются при работе, несмотря на глиняный раствор. Они требуют немало дополнительных вложений, т.к. приходится монтировать обсадные трубы.

После того как удалось обнаружить искомый пласт, нужно довести работы до самого его основания. После этого производят все необходимые вычисления, дабы добиться предельно точных данных об обнаруженном месторождении.

В самом конце инструмент извлекается, а скважина тампонируется. Вся дальнейшая деятельность осуществляется другой спецтехникой, которая при необходимости расширит уже готовую скважину до нужных размеров, после чего будут идти дальнейшие разработки.

Технологии бурения скважин существенно отличаются друг от друга, причем полезность каждой доказывается регулярно. Колонковое бурение позволяет за предельно короткие сроки достичь требуемой глубины, вне зависимости от дистанции.

[spoiler title="Источники"]

• https://stroy-podskazka.ru/vodosnabzhenie/skvazhina/o-kolonkovom-burenii/
• https://geotop.msk.ru/kolonkovoe-burenie-skvazhin.html
• https://rusbyr.ru/kolonkovoe-burenie-skvazhin-tehnologiya.html
• https://scvazina.ru/kolonkovoe-burenie
• https://oboiman.ru/teplo/kolonkovoe-burenie-skvazin-princip-tehnologia-plusy-i-minusy.html
• https://je7.ru/sposoby-bureniya-skvazhin-kolonkovoe-rotornoe-shnekovoe/
• https://vodavdome.website/vodosnabzhenie/skvazhiny/kolonkovoe-burenie.html
• https://promzn.ru/burenie-skvazhin/kolonkovoe.html
• https://ByreniePro.ru/vidy/kolonkovoe.html
• https://sovet-ingenera.com/vodosnab/kolod-skvazh/kolonkovoe-burenie-skvazhin.html
• https://pipe-s.ru/chto-takoye-kolonnoye-bureniye-trub/
• https://santatrade.ru/kak-burit-kolonkovoy-truboy/

[/spoiler]