Одним из наиболее эффективных и экономичных способов создания горных выработок является колонковое бурение скважин. Этот метод широко используется как в поиске месторождений, так и в области инженерной геологии. Кроме того, это самый быстрый и простой путь для получения доступа к подземным водам для организации водоснабжения.
В нашей статье вы сможете узнать о характеристиках колонкового бурения, инструментах, необходимых для его выполнения, а также о специфике его применения.
Краткое содержание статьи
Сфера применения колонкового бурения
Метод колонкового бурения позволяет с высокой точностью определить глубину залегания верхней и нижней границы различных слоев грунта, а также уровень подземных вод.
Колонковая буровая технология активно используется в следующих областях:
- Проблемы водоснабжения в промышленных и частных секторах. Бурение скважин для бытового использования или организация водоснабжения целых поселков и городских кварталов является особенно эффективным благодаря способности колонки работать на значительных глубинах. Колонковый снаряд может поднять практически любой тип разрушенной породы, за исключением водонасыщенных и рыхлых несвязных грунтов (песков, гравия, гальки);
- Геологоразведка в горнодобывающем секторе. В процессе бурения происходит точечное воздействие на породу в пределах радиуса вращения. Это означает, что снаряд, который по своей конструкции напоминает трубу, бурит цельный массив горных пород, не нарушая их структуру и состояние.
- Строительство. При проведении инженерно-геологических исследований для изучения механических и физико-химических свойств грунтов, а также состояния потенциальных пород, колонковая методология дает возможность с высокой точностью определить уровень подземных вод и отобрать образцы воды для анализа их агрессивности к бетону.
Во время колонкового бурения получается керн – цилиндрический образец грунта или соседних слоев. Керн сохраняет естественную структуру, что позволяет провести глубокий анализ изучаемой породы. Бурение с колонковой трубой обеспечивает высокую точность в определении глубины залегания породы для дальнейшего изучения.
Колонковое бурение гарантирует целостность керна, что очень важно для качественного анализа горной породы. Одновременно выполняется тщательная очистка забоя от разрушенной породы.
Применение колонкового бура в строительстве значительно упрощает и ускоряет процесс работ. В подготовленное отверстие, созданное колонковым буром, легко устанавливаются сваи или монтируются готовые бетонные конструкции. Колонковое бурение позволяет создавать цилиндрические отверстия в кирпичных и бетонных конструкциях.
Технология проведения работ и оборудование
Существует два подхода к использованию колонкового бура: бурение с подачей жидкости на забой или «на сухую», без бурового раствора.
Бурение без бурового раствора применяется, когда несвязные грунты содержат достаточное количество естественной влаги для успешного бурения и извлечения. Подача воды в буровой ствол не требуется также при работе с мягкими, тугопластичными и течепластичными глинами и супесями.
Жидкость обязательна в ситуации, когда необходимо бурить скальные или полускальные породы. При отсутствии воды бурение протекает значительно медленнее, и повышается риск повреждения коронки, что делает «сухое» бурение более затратным.
Технология колонкового бурения со смывом позволяет не только продлить срок службы используемого оборудования, но и наиболее эффективно освободить забой от разрушенной породы.
Использование бурового раствора существенно увеличивает скорость бурения. Данный способ чаще всего выбирается при бурении глубоких скважин, что позволяет завершить работы за короткий срок и снизить риск повреждения коронки.
Кроме того, в процессе разработки скважины струя воды под высоким давлением подается на забой в рыхлых несвязных грунтах, если задача не предполагает отбор керна. В данном случае вода просто промывает забой, удаляя разрушенный грунт.
Принципы колонкового метода
Главным компонентом при колонковом бурении является резающая деталь на конце колонковой трубы, известная как коронка. Специальные коронки, оснащенные алмазными резцами, используются для работы с твердыми скальными породами.
Коронки представляют собой сменные режущие элементы, которые прикрепляются к нижнему концу колонковой трубы. В процессе работы их необходимо менять несколько раз.
Алмазная коронка обеспечивает легкость прохождения бура на глубоких уровнях в процессе бурения водозаборных скважин в известняках, где накапливаются наиболее чистые запасы подземной воды в трещинах коренных пород.
Замена буровых коронок осуществляется простым способом: просто снимается изношенная деталь и устанавливается новая.
Горная порода разбивается с помощью коронки, которая вращается с высокой скоростью. Регулировать скорость вращения можно в зависимости от плотности обрабатываемого грунта. Коронка «вырезает» породу по периферии цилиндра, в то время как центральная часть помещается в колонковую трубу.
Для извлечения керна буровой снаряд поднимается на поверхность, а захваченный грунт выдувается струей воздуха, подаваемой в верхнюю часть трубы. Процесс выдува можно ускорить с помощью простукивания снаряда кувалдой.
В процессе колонкового бурения выбуренный конусообразный сегмент породы попадает в колонковую трубу. Для его извлечения снаряд убирается из ствола путем разбора колонны бурильных штанг, и керн выдувается или выбивается из трубы.
Колонковые буры при обработке крепких пород имеют большую производительность, чем матричные и шарошечные долота, благодаря высокой скорости вращения, что снижает прикладываемые усилия.
Буровые долота полностью разрушают породу, которую затем нужно будет «вычерпывать» с помощью желонки или подавать под давлением для промывки забоя. Таким образом, необходимо проходить один и тот же участок несколько раз: сначала разрушить, затем очистить. Колонковая методика позволяет выполнить эти операции за один цикл.
Оборудование и буровые установки
Выбор типа станка или буровой установки зависит от назначения скважины и её диаметра. Популярность колонкового метода бурения способствует развитию производства буровых установок и оборудования по всему миру. Для разведочного бурения используются тяжелые тракторы, грузовики и вездеходы.
Применение тяжелых гусеничных тягачей делает возможным выполнение колонкового бурения в сложных условиях, таких как бездорожье и нестабильный рельеф.
Чаще всего буровое оборудование устанавливают на классические автомобили, такие как МАЗ, КАМАЗ и Урал. Однако также существуют варианты установки на более легкие машины, предназначенные для бурения скважин на воду в частном строительстве.
В ручном вращательном бурении колонковая труба заменяется её историческим аналогом — стаканом, представляет собой укороченную версию колонковой трубы с заостренной частью. Стакан закручивается в землю вручную или с помощью мотобура и вынимается на поверхность с собранным внутри материалом.
Для механизации ручного бурения мелких скважин и механической переработки лунок под ограды и опоры ЛЭП применяют бензиновые и электрические двигатели, которые создают вращательное движение для шнека или колонковой трубы.
Оборудование для проходки и обустройства скважин
Для успешного выполнения колонкового бурения необходимо соответствующее оборудование, которое позволило бы работать на больших глубинах и обрабатывать различные типы породы, обеспечивая периодическую подъем на поверхность извлеченного материала.
Стандартный набор бурового инструмента
Для качественного выполнения буровых работ необходим:
- Колонковые снаряды. Применяются как для горизонтального бурения, так и для вертикальной разработки. С стандартными колонковыми труubberми возможно бурение под углом до 45 градусов. Тонкостенные колонковые снаряды могут использоваться преимущественно для горизонтального безтраншейного бурения при прокладке коммуникаций.
- Коронки. Это инструменты, предназначенные для разрушения породы и устанавливаемые на колонковую трубу для особенностей вырезки керна. Для бурения осадочных и несвязных грунтов применяются латунные коронки. Для работы со скальными породами и создания отверстий в бетоне, асфальте или кирпиче используются коронки из твердосплавных материалов с алмазными резцами.
- Стальные обсадные трубы. Необходимы для формирования ствола скважины, что выполняется одновременно с ее заглублением. Их диаметр совпадает с диаметром скважины. Выбор обсадки для водозабора основан на диаметре колонковой трубы и насоса, который планируется использовать в скважине.
- Штанги. Это соединяемые между собой узкие трубки, используемые для увеличения буровой колонны. Они присоединяются к верхней части колонковой трубы для передачи вращения на глубину, превышающую высоту снаряда. Сумма высоты колонковой трубы и высоты колонны буровых штанг равна глубине выработки.
- Переводники. Эти элементы необходимы для соединения различающихся резьбовых соединений, присутствующих на буровых штангах, вращателях, промывочных сальниках и других частях оборудования.
Упомянутый инструмент представляет собой стандартный набор для колонкового бурения. В некоторых ситуациях, в зависимости от сложности работ, может понадобиться дополнительное оборудование и инструменты.
В процессе углубления на верхушке колонковой трубы поэтапно надевают колонну буровых штанг. Для извлечения колонкового снаряда на поверхность колонну раскручивают штанга за штангой.
Особенности конструкции колонковой трубы
Конструкция снаряда, используемого в колонковом бурении, ориентирована на максимальное сохранение целостности керна и имеет кольцевую форму вокруг свободного прохода. Одним из ключевых параметров является коэффициент керноотбора, который определяется как соотношение диаметра керна к наружному диаметру инструмента.
Инструмент для колонкового бурения стандартизирован, его главное отличие – это диаметр. По конструктивным признакам колонковые трубы подразделяются на одинарные и двойные. Одинарные снаряды, предназначенные для работы в обычных геологических условиях, прекрасно подходят для бурения водозаборных скважин.
Двойные снаряды с не вращающейся внутренней трубой применяются исключительно в геологоразведке, позволяя извлекать образцы легкоразрушающихся пород. Они обеспечивают отбор проб в их естественном состоянии, сохраняя природное содержание полезных ископаемых и пустой породы.
Для инженерно-геологических исследований, геологоразведки и бурения под опоры ЛЭП используются одинарные колонковые трубы.
Все колонковые трубы разработаны с учетом возможности продувки, подачи бурового раствора и промывки скважины. Их верхняя часть оборудована технологическим отверстием для нагнетания воды или воздуха.
Специфика режущей части снаряда
Коронка представлена в виде кольца с верхней резьбой для крепления к колонковой трубе и резцами на нижнем торце. Резцы могут быть цельно-литые или сварные.
В колонковом бурении применяются следующие коронки:
- Твердосплавные – мелкорезцовые, ребристые.
- Алмазные – импрегнированные и мелкоалмазные.
Твердосплавные режущие элементы предназначены для работы с «мягкими» грунтами. С их помощью бурят все виды глинистых и полускальных пород, а также маловлажные и влажные пески. Для проходки песчаников и мергелей используют коронки с вольфрам-кобальтовыми резцами.
Коронки с мелкими резцами предназначены для бурения пород средней твердости с низкой абразивностью. Они имеют резцы с восьмигранным или квадратным сечением и могут иметь резцы на различных высотах, что обеспечивает ступенчатый забой.
Ребристые коронки улучшают циркуляцию промывочной жидкости благодаря увеличенному диаметру скважины.
Ребристые коронки предназначены для бурения твердых пород средней абразивности, их резцы состоят из стального основания с твердосплавной вставкой, что сохраняет эффективность даже при износе.
Коронки с алмазными резцами используются для бурения скальных и полускальных пород с высокой абразивностью.
Для усиления прочности в литую массу в процессе производства внедряются технические алмазы, зачастую заменяемые на искусственные.
Количество рёбер зависит от конструкции коронки и её диаметра – от трех до шести. Ускорение разрушения породы достигается путем смещения рёбер вверх от торца коронки, что обеспечивает ступенчатый забой и облегчает прохождение промывочной жидкости.
Трубы для обсаживания ствола скважины
Как колонковые, так и обсадные стальные трубы изготовлены по стандарту ГОСТ 51682-2000. В геологоразведке и инженерной геологии они предотвращают обрушение грунта на забой, позволяя определить глубину смены геологических слоев.
В водозаборных скважинах обсадные трубы формируют стенки выработки, в которые устанавливают эксплуатационную колонну труб, часто изготавливаемую из пластика. Эта колонна снабжается фильтром для удержания песчинок и мелкого гравия.
Наиболее распространены обсадные трубы с ниппельным соединением, где с одной стороны расположена внутренняя резьба, а с другой – внешняя. Это упрощает и ускоряет процесс сборки ствола из труб.
Как колонковые, так и обсадные трубы имеют резьбу – с одного конца они внешние, с другого – внутренние, что облегчает их соединение. Резьбы унифицированы, так что любая обсадная труба может служить колонковой, достаточно прикрутить к ней коронку и верхушку.
Есть также обсадные трубы для сварных соединений, но их применение в частном секторе затруднительно из-за трудоемкости сборки.
Обсадные и колонковые трубы изготавливаются из стали марки 45 с группой прочности «К». Для повышения устойчивости к износу концы труб закаливаются. В частных водозаборных системах используются трубы диаметром от 100 до 200 мм в зависимости от бурового оборудования и размерности насосов.
Этапы колонкового бурения
Перед началом работ необходимо изучить кадастровый план и подготовить рабочую площадку. Нужно обеспечить свободный доступ к бурильной установке и машине с промывочной жидкостью.
Следующий этап – выемка ямы объемом не менее 2 кубических метров, что позволит избежать необходимости в дополнительном резервуаре для сброса грунтовых вод и отработанной жидкости. Яма служит для отвода лишней влаги при установке основной части ствола.
Затем нужно соединить выбранную коронку с буровой колонковои трубой и подобрать обсадные трубы, которые будут добавляться по мере углубления. Установку следует надежно закрепить и запустить буровое оборудование.
Колонковая технология с водной промывкой позволяет эффективно очищать ствол выработки от разрушенных пород.
С углублением и заполнением колонкового бура его периодически поднимают на поверхность для очистки от захваченного грунта, а затем снова погружают для продолжения бурения.
Для подъема бурильной колонны, состоящей из колонкового снаряда и штанг, поочередно разбирают штанги до тех пор, пока не извлекут колонковую трубу.
Оптимальным выбором для частников станет колонковое бурение с использованием промывки. В этом случае нет необходимости в отборе образцов, важнее быстро сформировать ствол и очистить его от шлама. Параллельно завершается подготовка к предстоящей эксплуатации.
Для промывки можно использовать воду из ближайшего пруда или реки. Бурение может проводиться и без воды, например, при разработке песчаной скважины, где хватает небольшого количества жидкости только для охлаждения инструмента.
Колонковая технология также применяется для бурения отверстий в бетонных и железобетонных конструкциях, а также в фундаментах и кирпичных стенах.
В условиях рыхлого маловлажного песка рекомендуется добавлять в рабочий раствор жидкое стекло или глину для укрепления стенок отверстий. При бурении через горизонт с нестабильной структурой целесообразно использовать обсадные трубы для укрепления стенок скважины.
Технологические особенности процесса
Во время углубления можно регулировать скорость вращения бура. Следует отметить, что слои осадочных пород бур легко проходит на низких оборотах, тогда как для коренных скальных требуется увеличение частоты вращения. С колонковым методом бурения можно проходить породы различного состава и твердости.
Важно учитывать, что буровая установка должна располагаться на подготовленной и ровной площадке. Угол бурения можно регулировать при диаметре скважины не более 1 метра, после чего вертикальность поддерживается обсадной колонной.
Обсадные трубы могут использоваться повторно, если их вынуть сразу после бурения. Колонковая труба предназначена для многократного использования, в отличие от коронок, которых для бурения в осадочном горизонте нужно как минимум две, а то и больше. Предсказать, сколько коронок будет изношено при бурении на известняк, невозможно.
Чтобы продлить срок службы алмазной коронки после её установки необходимо обработать дно скважины долотом, что значительно ускоряет процесс бурения.
Установка для бурения может быть установлена на автомобили с высокой грузоподъемностью или на гусеничные машины, если требуется проводить работы в сложных условиях рельефа. Для бурения скважин на воду также можно использовать более легкое мобильное оборудование.
Достоинства и недостатки колонкового метода
Благодаря концентрированному воздействию коронки по её радиусу происходит аккуратное вырезание и подъем цельного керна на поверхность. Эта технология подходит для бурения горных пород вплоть до XII категории, с возможностью работы как под углом, так и перпендикулярно.
Одним из ключевых преимуществ колонкового метода является высокая скорость и эффективность бурения.
Среди других положительных аспектов можно отметить:
- При использовании промывочной жидкости или технической воды объем бурения достигает 85%;
- Добавление активных эмульсий в рабочий раствор помогает сохранить стенки скважины в первоначальном состоянии;
- Сниженные осевые нагрузки благодаря тому, что порода разрушается выборочно, позволяют уменьшить затраты энергии.
- Метод подходит для работы с любыми породами, включая граниты и базальты.
- С использованием мобильного сборного станка возможно проведение работ в труднодоступных или удаленных местах.
И хотя колонковое бурение имеет ряд заслуг, существуют и некоторые недостатки:
- При бурении в трещиноватых породах может возникнуть заклинивание керна, что потребует извлечения трубы для его удаления.
- При работе с твердыми породами возможен перегрев и заклинивание коронки, что приводит к её быстрому затуплению. Для предотвращения этого необходимо применить охлаждающую жидкость и сократить скорость подачи, что, в свою очередь, снижает скорость бурения.
- Малое сечение (до 200 мм) не позволяет использовать мощные погружные насосы.
При разработке водяных скважин с применением глинистого раствора существует риск заиливания водоносного слоя при вскрытии пласта.
Выводы и полезное видео по теме
Видео 1. Первый этап колонки бурения скважины:
Видео 2. Колонковое бурение в гранитной породе:
Перед началом работ по колонковому бурению обязательно нужно провести экономический анализ. Соблюдение правил безопасности и эксплуатационных норм существенно уменьшает вероятность неисправностей оборудования, обеспечивая тем самым высокую производительность, скорость бурения и снижение материальных затрат.
Есть ли у вас уникальные знания о колонковой технологии? Возможно, у вас есть полезная информация по обсуждаемой теме? Мы будем рады вашим комментариям в форме ниже, где вы можете задавать вопросы и делиться фотографиями по теме статьи.
