Когда подключение загородного дома к централизованной системе водоснабжения невозможно, следует создать автономный водообеспечивающий комплекс. Многие владельцы домов выбирают вариант с бурением скважины, используя различные технологии. В этой статье мы подробно рассмотрим роторное бурение скважин — метод, имеющий большой потенциал, но пока еще не очень популярный.
В нашем материале мы освещаем нюансы роторной технологии и инструменты, которые в ней используются. Мы также проанализируем плюсы и минусы этого метода и предложим рекомендации для внимательных хозяев, желающих следить за работой буровых команд.
Краткое содержание статьи
Определение роторного бурения
Прежде всего, стоит понять, что собой представляет роторное бурение скважин и каковы его альтернативы. Шнековое бурение еще долго воспринимается большинством как наиболее распространенный метод формирования водозаборных скважин.
Тем не менее, шнековая техника не способна прорвать коренные породы, такие как известняк. Этот метод использует винтовое бурение, которое не может разломать такие плотные образования. Нередко возникает необходимость бурить именно в таких местах, поскольку верхние слои не обеспечивают достаточного дебита.
Обычные колонковая и шнековая методы не могут преодолеть скальные породы. При бурении на известняк роторный метод оказывается более эффективным и экономичным.
По этой причине роторная техника, изначально используемая в горной промышленности, начала применяться для создания частных водозаборных скважин. Основным инструментом здесь является долото, располагающееся на нижней части скважины, которое разбивает как связные, так и несвязные грунты и измельчает прочные породы.
Выборка разрушенной породы происходит с использованием жидкости, которая подводится к забою через рабочую колонну или затрубное пространство. Это два различных метода бурения, каждый из которых будет подробно разобран позже.
Диаметр долота больше диаметра рабочей колонны, что позволяет:
- уменьшить энергозатраты на бурение (мощность расходуется в основном на вращение долота, а потери на трение рабочего канала о стенки скважины минимальны);
- защитить большинство элементов рабочей колонны от повреждений, а стенки пробуренной скважины — от разрушения;
- создавать скважины внушительного диаметра (до 70 см) на значительных глубинах.
Таким образом, возможно бурение водозаборных скважин глубиной 300 и более метров, которые могут обеспечить водой дачные массивы и небольшие поселки.
Таким образом, роторное бурение — это технология разработки скважин, при которой на долото в забое передаются усилия от ротационного устройства через рабочую колонну. Она состоит из штанг — стальных труб, которые соединяются друг с другом для углубления в грунт.
Что касается очистки ствола от шлама, здесь используется подаваемая под давлением вода. Это позволяет избежать необходимости постоянно разбирать и собирать буровую колонну для извлечения керна, как это происходит в колонковом бурении.
Подводимая жидкость решает две основные задачи: она облегчает работу буровому инструменту и проводит промывку скважины, подготавливая её к дальнейшему использованию.
Преимущества роторной технологии
Каковы же преимущества роторного бурения по сравнению с другими методами? Их несколько.
Во-первых, роторное долото дает возможность создавать скважины с большим диаметром, что удовлетворяет потребности в воде сразу нескольких домохозяйств.
Несомненно, бурение — это недешевый процесс, требующий наличия специализированного оборудования и квалифицированного персонала. Кроме того, работы по бурению скважин требуют лицензирования, что также отражается на их стоимости.
Из-за специфики формы и конструкции долота роторное бурение может создавать скважины большого диаметра, что делает его более экономичным по сравнению с шнековыми методами и колонковыми трубами.
Объединение нескольких домохозяйств для финансирования одной общей скважины на смежных участках — это экономически целесообразное решение. Но для этого требуется наличие стабильного дебита. Чаще всего четвертичные отложения не могут предоставить необходимое.
Для совместного использования лучше всего закладывать скважину на известняке, так как подземные воды, добываемые из него, отличаются большей чистотой и обилием. На дебит скважин на известняке не влияют осадки, что не так с водозаборами на песках.
Во-вторых, меньшие энергозатраты — еще один плюс этой технологии. Рабочим элементом в роторном бурении выступает долото, которое взаимодействует только с грунтом, не касаясь стенок скважины.
Таким образом, только долото в минимальной высоте соприкасается с грунтом, что приводит к высокой скорости бурения — до 1000 погонных метров за месяц!
В-третьих, большая глубина бурения привлекает коллективных заказчиков. Только роторный способ позволяет достигать глубин, где находятся коренные метаморфические и магматические породы, из которых можно получать воду, подходящую для питья.
В большинстве случаев скважины глубиной менее 30 м обеспечивают только техническую воду, состав которой может изменяться под воздействием близлежащих водоемов, загрязненных рек, атмосферных осадков и даже случайно пролитых химикатов. Использование шнека и колонковых труб позволяет добыть лишь такой ресурс.
Весь комплект бурового оборудования можно удобно расположить на одной автомобильной платформе средней грузоподъемности. Это значительно упрощает процесс роторного бурения и снижает его стоимость.
Кроме того, роторное бурение дает возможность достигнуть полной глубины без необходимости переключения на другой метод бурения. Например, в случае работы с шнеком, понадобив сменить метод при наличии валуна, потребуется применить ударно-канатную технику.
При этом придется извлечь шнековый снаряд и использовать долото для разрушения валуна, а затем очистить забой с помощью желонки, также применяемой для поднятия на поверхность водонасыщенного песка, который в колонковой трубе не удерживается.
Практика показывает, что скважины, пробуренные роторным методом, имеют более долгий срок службы. Это объясняется тем, что после установки обсадной колонны, формирующей стенки скважины, затрубное пространство дополнительно укрепляется.
Оборудование для устройства скважины
Сначала на поверхности над скважиной устанавливается вертикальная консоль, к которой затем крепятся вертикальные звенья рабочей колонны. Первое звено бурового вала имеет рабочий элемент — долото, форма и размер которого зависят от типа породы, подлежащей бурению.
Естественно, для бурения водозаборных скважин используется более компактное оборудование, поэтому создание крупной вышки, как правило, не требуется.
Набор бурового инструмента
После углубления первого звена к нему присоединяется следующее, которое называется штангой, и так далее. Длина каждой штанги может быть от 20 до 50 м. Для облегчения сборки рабочей колонны каждая штанга снабжена конической резьбой с замком.
В результате формируется буровой снаряд, состоящий из:
- рабочего долота;
- ведущей штанги;
- колонны соединенных штанг, которые соединяются муфтами.
Рабочая колонна удерживается при помощи вертлюга, вращение которого осуществляется ротором. В зависимости от глубины бурения и физических свойств грунта для изготовления ведущего звена могут использоваться стандартные или утяжеленные штанги.
Ведущая штанга чаще всего выполнена в утяжеленной версии, так как на неё возлагается важнейшая функция: через нее в забой к долоту подается промывочный раствор, который выводит раздробленный материал. Это вызывает необходимость строгих требований к муфтам, которые должны обеспечивать надежное соединение между звеньями.
Не стоит забывать, что давление жидкости определяется высотой активного столба и не зависит от сечения трубы. Например, даже если в качестве промывочного раствора используется вода, давление увеличивается на 1 атмосферу каждые 10 метров глубины.
Для сравнения, в бытовых трубопроводах давление составляет около 10 атмосфер, а самые прочные трубы рассчитаны на 20 атмосфер.
Поскольку бытовые системы неподвижны, на ведущую штангу действует давление в соответствии с весом буровой колонны, которая также должна передавать усилие на долото и поворотный импульс.
Муфты — это критически важные элементы штанги, поскольку они выдерживают вес всей нижней части смежной штанги и динамические нагрузки при вращении, создаваемые двигателем.
К муфтам, как ключевым компонентам буровой колонны, выдвигаются следующие требования:
- они должны обеспечивать герметичность соединения штанг и справляться с давлением жидкости до 100 атмосфер (при промывке потоком);
- они должны быть устойчивыми к износу, чтобы не выходить из строя при трении о стенки скважины;
- необходимо, чтобы муфты эффективно передавали вращательный момент от верхней части рабочей колонны к ее нижней части и, в конечном итоге, к долоту.
Качество муфт играет критическую роль. Если хотя бы одна из них не выдержит нагрузки и рабочая колонна порвется, то извлечь нижнюю часть вместе с долотом будет крайне сложно. В некоторых случаях экономически целесообразнее будет пробурить новую скважину рядом, чем восстанавливать открепившуюся штангу.
Использование воды при бурении
Чаще всего в качестве рабочей жидкости используется обычная вода. Иногда для стабилизации ствола, особенно в рыхлых несвязных породах (песчаные, гравийные или щебнистые отложения), в скважину вводят раствор с буровыми добавками. Это необходимо, так как обсадка не устанавливается на начальных этапах проходки.
Подача воды в выработку может происходить либо под давлением внутри ведущей штанги (в этом случае выкачивание осуществляется через затрубное пространство), либо самотеком вниз через затрубное пространство, а на поверхность она поднимается уже с помощью откачивающего насоса.
Существуют две различные технологии роторного бурения, которые будут описаны ниже.
Роторное бурение отличается высокой скоростью разработки скважин для добычи воды. В процессе бурения также производится промывка ствола, подготавливающая выработку к эксплуатации.
Тем не менее, независимо от используемого метода, жидкости, применяемые в бурении, нуждаются в очистке для дальнейшего использования.
Для этой цели применяется следующий набор оборудования:
- Амбар для хранения бурового раствора. Если планируется бурить мелкую скважину, этот амбар можно разместить непосредственно в земле, а в качестве промывочной жидкости использовать обычную воду. Амбар играет функцию аккумулятора для рабочего раствора.
- Вибросито. Раствор, поднимающийся из скважины, несет с собой частицы раздробленной породы, которые необходимо удалить. Наиболее эффективным способом здесь является механический, с применением вибросита.
- Отстойник. После того как крупные частицы породы удалены, жидкость поступает в отстойник для расслоения взвешенных частиц, оседающих на дно. Если используется вода, отстойник иногда делается прямо в земле. Также для разделения жидких компонентов и осадка применяется гидроциклон.
- Буровой насос. Именно этот насос отвечает за циркуляцию промывочного раствора.
- Система желобов. Эти желоба необходимы для перемещения воды от места образование выработки к месту ее очистки.
Для реализации роторной технологии необходимых следующих механизмов и оборудования:
- Вышка или консоль для сборки буровой колонны и ее разборки по окончании бурения, а также талевая система.
- Двигатель, обеспечивающий вращение ротора.
- Оборудование для жидкости. Механизмы для циркуляции и очистки промывающей жидкости (насос; вибросито; отстойники и/или гидроциклон; амбар для хранения промывающей жидкости; система труб и желобов).
Для бурения роторным способом неглубоких скважин весь указанный комплект оборудования является вполне компактным (например, стрела консоли может складываться). Это позволяет удобно размещать оборудование для буровых работ и последующей эксплуатации в любом подходящем месте.
Два варианта роторного бурения
В зависимости от метода подачи промывочной жидкости различают два типа роторного бурения:
- с прямой подачей;
- с обратной подачей.
Следует заметить, что жидкость, подающаяся в забой, предназначена не только для промывки и выноса дробимой породы. Она также служит для охлаждения долота, которое нагревается от трения. При прямой подаче жидкости насос создает избыточное давление.
Вода поступает в забой через технологические отверстия в долоте, «подхватывая» раздробленную породу, а затем самотеком поднимается по скважине (через затрубное пространство относительно ведущей штанги) на поверхность, где проходит через очистительные установки (вибросито, гидроциклон).
Промывка может быть как прямой, так и обратной, что влияет на качество используемого оборудования, однако принципиальная схема остается одинаковой для обеих технологий.
Обратная подача подразумевает, что промывочная жидкость спускается в забой самотеком, а обратно на поверхность раствор с дробленым материалом поднимается уже по трубе ведущей штанги. В этом случае буровой насос создает отрицательное давление именно в ней.
Несмотря на кажущийся простой оба метода имеют много нюансов, которые не всегда очевидны. Поэтому целесообразно подробно рассмотреть каждую из технологий бурения.
Бурение с прямой подачей промывающей жидкости
Эта технология иногда называется «прямым водотоком». Её целесообразно применять в песчаных, гравийных и щебнистых грунтах, а также в случаях, когда глубина водоносного горизонта не превышает 30 метров. В данном случае в жидкость добавляются добавки, повышающие плотность и стабильность ствола.
Роторное бурение отличается поэтапным уменьшением диаметра скважины. Изначально бурится скважина более широкого диаметра, затем она обсаживается трубой, а пространство между наружной поверхностью трубы и стенкой скважины заполняется цементным раствором через технологические отверстия.
Позже бурение продолжается меньшим долотом. Затем снова идет обсадка, и следующий участок будет иметь ещё меньший диаметр и так далее. Чем реже делают «отвлечения» на цементирование, тем выше производительность бурения, что впоследствии отражается на общей стоимости процесса и самой скважины.
Кроме того, частые обсадки снижают эффективный диаметр скважины (это диаметр, который вскрывает водоносный слой). Супер «прямой водоток» позволяет не обсаживать скважину до глубины в 100 метров.
Основное давление промывочной жидкости формируется насосом внутри ведущей штанги, а затрубное пространство заполняется жидкостью с частицами дробленой породы самотеком, без создания избыточного давления, что позволяет охранять стены скважины.
Схема бурения с прямой подачей промывочной жидкости показывает, что подача осуществляется по трубам ведущей штанги, а на поверхность она возвращается самотеком.
Тем не менее, этот метод имеет и свои недостатки. В частности, слишком длинный необсаженный участок может привести к тому, что в водоносные горизонты попадут мелкие глинистые частицы, что может заметно снизить и замедлить приток воды из водоносного слоя в выработку.
Эти частицы действуют как затычки в порах и микроканалах пород, что затрудняет прохождение воды. Поэтому процедура обсадки, проводимая в процессе бурения, необходима для поддержания продуктивности скважины.
Бурение с обратной подачей промывающей жидкости
При этом методе подачи жидкости достигается наилучшее очищение ствола и забоя. Здесь насос не закачивает жидкость в забой, а засасывает её обратно, что существенно увеличивает скорость формирования скважины долотом, особенно по сравнению с прямым методом.
Сама скважина остаётся чистой от глинистых включений за счёт того, что насос поднимает с собой все содержащиеся в ней частицы. В этом случае нет необходимости в дополнительных добавках, и в качестве рабочей жидкости используется чистая вода.
Схема обратной промывки в роторном бурении показывает, что подача идет самотеком через затрубное пространство, а обратно шлам извлекается насосом по трубе ведущей штанги.
Таким образом, подводя итоги, можно выделить плюсы обратного бурения:
- скорость бурения возрастает (в сравнении с прямым методом) до 15 раз;
- водоносный горизонт не загрязняется глинистыми частицами и пылеватыми песчинками из глубоких, необсаженных уровней скважины;
- за счёт качественного вскрытия водоносного горизонта нет необходимости дополнительно готовить скважину к эксплуатации, можно сразу устанавливать внутреннюю обсадную колонну с фильтром и запускать откачку насосом;
- в качестве рабочей жидкости используется дешевая обычная вода.
Тем не менее, у этого метода есть и значительный недостаток — он требует дорогостоящего оборудования, что в свою очередь значительно увеличивает общую стоимость бурения.
В связи с этим бурение «обратным водотоком» оправдано только в тех случаях, когда скважина предназначена для обслуживания нескольких хозяйств. Если же скважина разрабатывается для индивидуального использования, то более рациональным будет применение роторного бурения с прямым водотоком.
Выводы и полезное видео по теме
Видео #1. Наглядное пошаговое демонстрирование процесса роторного бурения:
Видео #2. Обзор роторной технологии и основных принципов обустройства скважины:
Видео #3. Циркуляция воды в процессе проведения роторного бурения:
Ситуация с наличием и глубиной залегания водоносных горизонтов может значительно варьироваться в зависимости от местности (в некоторых местах, как на острове Мадейра, их вообще может не быть).
При разработке проекта скважины и выборе наилучшего метода роторного бурения рекомендуется учитывать существующие карты изученных водоносных слоев. Такой подход позволит вам существенно сэкономить как время, так и финансовые ресурсы.
Поделитесь своим опытом в области бурения скважин с использованием роторной технологии. Расскажите о важных технических аспектах, которые могут оказаться полезными для посетителей сайта. Оставляйте свои комментарии в представленном ниже блоке, делитесь фотографиями и задавайте вопросы касательно темы статьи.
