Способы бурения водозаборных скважин

Бурение водозаборных скважин производится в основном двумя способами - ударно-канатным и вращательным с прямой или обратной промывной. Кроме того, применяют комбинированный, колонковый и реактивно-турбинный способы, а при устройстве временных скважин может применяться также шнековый способ бурения.

При проектировании водозаборных скважин способ бурения выбирают исходя из общих геологических и гидрогеологических условий участка размещения водозабора - глубин залегания водоносных горизонтов, подлежащих вскрытию и эксплуатации, литологии пород, слагающих водоносный горизонт, а также из необходимого диаметра скважины и наибольшей технико-экономической целесообразности способа бурения в данных конкретных условиях.

Технико-экономическая целесообразность применения того или иного способа бурения скважин определяется по совокупности трех показателей: качество и долговечность скважины, продолжительность ее сооружения, стоимость сооружения. В случаях, когда не представляется возможным согласовать все три показателя, решающим должен быть, как правило, первый показатель.

При выборе способа бурения водозаборных скважин необходимо руководствоваться рекомендациями, приведенными в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Условия выбора способа бурения водозаборных скважин

Типы станков для бурения скважин на воду и некоторые их технические показатели приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Типы станков для бурения скважин на воду и их технические показатели

Для бурения водозаборных скважин необходимо отведение земли,  минимальные размеры  площади отвода представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Отведение земли для бурения водозаборных скважин

Ударно-канатное бурение (рис. 2.2) состоит в разрушении породы путем периодического нанесения ударов по забою скважины закрепленным на стальном канате и свободно падающим с высоты 40-50 см тяжелым буровым снарядом с заостренным наконечником.

Буровой снаряд состоит (рис. 2.3) из долота, массивной ударной штанги, устройства для выбивания долота при его заклинивании в породе и приспособления для соединения с канатом (канатный замок).

Удаление разрушенной породы из скважин производится желонкой, представляющей собой стальную трубу с режущим кольцевым башмаком, клапаном в нижней части и канатным замком в верхней. При бурении скважин в рыхлых породах желонка может использоваться также в качестве бурового снаряда.

По мере углубления скважины, стенки ее закрепляются обсадными трубами. По окончании бурения и осадки ствола скважины в нее опускается фильтр, который обнажается путем приподнятия всей колонны обсадных труб.

Для повышения эффективности проходки крепких пород ударно-канатными станками рекомендуется применять виброударные буровые снаряды, например, ВС-1 и ВС-2, характеристики которых приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Характеристики виброударных буровых снарядов

Виброударные буровые снаряды обеспечивают нанесение по забою посредством подпружиненного ударника серии дополнительных ударов в момент контакта долота с породой в промежутке между основными ударами, что дает возможность увеличить интенсивность динамического воздействия на забой благодаря более эффективному использованию кинетической энергии снаряда. Такой режим работы позволяет рационально использовать усталостные свойства разбуриваемой твердой породы и увеличить скорость ее бурения в 1,5-2 раза. Кроме того, применение виброударных снарядов исключает возможность прихвата долота породой.

Вращательное бурение с промывкой (рис. 2.4) состоит в разрушении породы по всей площади забоя скважины буровым наконечником (долотом), приводимым во вращение полыми бурильными трубами от двигателя.

Разрушенная порода непрерывно выносится из скважины раствором, подаваемым в нее по бурильным трубам специальным насосом. Промывочный раствор с породой отводится по желобу от устья скважины в отстойник, где освобождается от вынесенной породы и вновь подается насосом в скважину.

Стенки скважины закрепляются обсадными трубами после окончания бурения или при необходимости перехода на меньший диаметр бурения. По окончании бурения и закрепления стенок на всю глубину скважины, в нее устанавливается фильтр.

Промывку при вращательном способе бурения скважин следует осуществлять с учетом следующих рекомендаций:

а) при прямой промывке забоя в скальных и полускальных породах применять чистую воду, а в песчаных породах - безглинистые промывочные жидкости, например водогипановый раствор. Глинистый раствор допускается применять при бурении по напорному водоносному горизонту и по непродуктивным интервалам; необходимость его применения должна быть обоснована проектом. Параметры промывочной жидкости надлежит подбирать с учетом гидрогеологических условий проходимых пород;

б) при обратной промывке забоя буровую установку обеспечивать водой на весь период бурения в количестве, определяемом мощностью и проницаемостью проходимых пород Разность отметок между установившимся уровнем воды в скважине и поверхностью земли должна быть не менее 3 м. При залегании уровня воды на глубине менее 3 м от поверхности земли проходку скважин следует осуществлять буровыми станками с поднимающимся ротором и выводом кондуктора выше поверхности земли, чтобы обеспечить необходимое превышение полного гидростатического давления столба в скважине над пластовым.

Глина и вода, используемые при бурении, должны удовлетворять санитарным требованиям.

Выбор типа бурового инструмента проводится с учетом крепости буримых пород. При бурении скважин роторным способом в качестве породоразрушающего органа применяются долота лопастные и шарошечные, а при бурении ударно-канатным способом - желонки и долота крестовые округленные и двутавровые. Диаметр долота при бурении водозаборных скважин следует принимать:

а) при вращательном способе бурения - на 100 мм больше диаметра обсадных труб; для создания уширенного контура гравийной обсыпки в песках следует применять различные типы расширителей, размер каверны определяется проектом. Серийно выпускаемые долота имеют диаметры 98,4 - 490 мм;

б) при ударно-канатном способе бурения в устойчивых грунтах - на 100 мм больше диаметра обсадных труб; в неустойчивых грунтах - на 6 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб. При проходке водоносных песков диаметр желонки должен быть на 100 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб.

При реактивно-турбинном бурении применяют двухтурбинные буры диаметром 394-1020 мм.

Шнековое бурение осуществляется колонной шнеков, приводимой во вращение буровой установкой, и применимо практически до глубины 50-70 м в рыхлых или мягких пластичных породах.

При вращении шнековой колонны буровое долото первого шнека разрушает породу, которая по спиралям шпеков поднимается на поверхность земли. Бурение шнеками в устойчивых породах ведется на всю глубину с внедрением в водоносный пласт, после чего колонна шнеков извлекается, и в скважину опускаются обсадные трубы. При этом фильтр закрепляется на нижней части колонны обсадных труб и опускается на ней до погружения в водоносный пласт.

Совмещенное бурение, являющееся разновидностью шнекового, может эффективно применяться при устройстве временных скважин. При совмещенном бурении применяются полые шнеки, а первый в колонне шнек представляет собой конструкцию, совмещенную с водоприемным устройством. Процессы разрушения породы, ее извлечения и закрепления стенок скважины здесь совмещены, что позволяет существенно сократить время устройства скважины. По мере углубления колонны на верхнюю ее часть навинчиваются новые звенья шнеков. Вскрытие водоносного пласта определяется по выносу влажной породы на поверхность земли. В этом случае бурение прекращается, колонна шнеков поднимается на длину одного шнека, вследствие чего обнажается водоприемное устройство (фильтр), скважина оборудуется штанговым насосом и прокачивается. При этом колонна пустотелых шнеков выполняет функцию обсадных и водоподъемных труб.

Высокая скорость устройства скважины совмещенным бурением достигается вследствие минимума вспомогательных спускоподъемных работ и полного исключения специальных работ по закреплению стенок скважины.

Устроенная совмещенным бурением скважина глубиной 50 м не должна действовать более 3 суток, в противном случае может произойти прихватывание колонны шнеков породой и их извлечение будет затруднено; при глубине скважины до 30 м колонна шпеков может не извлекаться несколько суток. Когда надобность в скважине минует, колонна шнеков с фильтром извлекается, разбирается и перевозится к месту устройства новой скважины.

Шнековое, в том числе и совмещенное бурение, имеет ряд недостатков: невозможно бурение скважин в плавунах и твердых породах (5 категории буримости и выше); ограниченная глубина бурения (не более 70-80 м); трудность в определении момента достижения водоносного пласта; короткое время эксплуатации скважины (до нескольких суток), вследствие постоянно существующей угрозы прихвата колонны шнеков породой.

Комбинированное бурение основано на применении шнекового и ударно-канатного бурения при устройстве скважины. При этом способе бурения устройство скважины в мягких устойчивых породах начинается шнеками. По достижении более твердых пород шнеки извлекаются и пробуренная часть скважины закрепляется обсадными трубами. Последующее углубление скважины выполняется ударно-канатным способом с желонкой. По мере углубления в скважину, при необходимости, устанавливается фильтр и эрлифтом производится ее первичная откачка.

Комбинированным бурением, в зависимости от гидрогеологических условий, скважина глубиной до 50 м может быть устроена за 12-20 часов. Этот способ бурения применяется, главным образом, для устройства постоянных скважин в населенных пунктах.