Роторное бурение скважин: обзор технологии бурения и необходимого оборудования

Если загородный дом нельзя подключить к центральному водопроводу, необходимо организовать автономную систему. Большинство владельцев предпочитают организовывать его на базе колодца, при освоении которого используются различные методы. Мы рассмотрим вращательное бурение скважин – очень перспективный, но пока малоизученный вариант.

В предлагаемой нами статье подробно описаны тонкости роторной техники и используемые инструменты. Проанализированы достоинства и недостатки данной методики, представлены способы ее практической реализации. Наши советы будут полезны ретивым владельцам приусадебных участков, которые хотят контролировать работу буровиков.

Определение роторного бурения

Для начала разберемся, что такое бурение вращающихся скважин и каковы его альтернативы? Шнековое бурение до сих пор считается одним из самых распространенных способов сооружения водозабора.

Однако шнековая технология не позволяет проходить коренным породам. Сверло, используемое при шнековом бурении, не способно удалить известковый налет. Но часто бывает, что необходимо его углубление, потому что вышележащие пласты не отличаются стабильной и достаточной для эксплуатации производительностью.

Технология колонкового бурения и бурения не дает возможности проникать в горные породы. В случае бурения скважины на известняк эффективнее и экономичнее использовать метод вращательного бурения

Поэтому роторная технология, ранее использовавшаяся только в горнодобывающей промышленности, начала внедряться в сфере частных водозаборных систем. Его рабочий элемент несколько расположен в забойной части скважины. С помощью долота разрушаются связные и несвязные грунты, дробятся скальные породы.

Выемка разрушенной породы осуществляется с помощью жидкости, которая подается на забой по рабочему канату или кольцевой космос. Это 2 различных метода бурения, каждый из которых будет подробно рассмотрен ниже.

Диаметр наконечника превышает диаметр рабочего троса, что позволяет:

  • создавать ямы внушительного диаметра (например, до 70 см) на очень внушительной глубине.
  • снизить энергозатраты на весь процесс бурения (мощность здесь расходуется непосредственно только на поворот с усилием сверла в нижнем отверстии и минимизируются потери из-за трения рабочей колонны о стенки отверстия);
  • защитить от повреждений большинство элементов рабочего каната, а также стенки пробуренной скважины от разрушения;

Таким способом можно формировать водоносные горизонты глубиной 300 метров и более, например, для бурения водозаборных сооружений для водоснабжения дачных участков и поселков.

Отсюда и определение: вращательное бурение – это метод разработки скважины, при котором сила на буровое долото в нижнем стволе передается вращением ротатор через рабочий столбец. Он собирается из прутков – узких стальных труб, которые соединяются последовательно друг с другом, а не углубляются в землю.

Но для очистки ствола шахты и забоя от шлама используется вода, подаваемая под давлением. Благодаря этому решению нет необходимости постоянно разбирать и собирать батарею колонкового бурения, как при колонковом бурении.

Закачиваемая в добычу жидкость решает сразу две важные задачи: прокладывает бурильную колонну для дальнейшей работы и промывает скважину, что необходимо для подготовки водозабора к эксплуатации.

Преимущества роторной техники

В чем преимущества роторного бурения перед возможными альтернативами? Есть несколько.

Во-первых, с помощью роторного долота можно создать колодцы большого диаметра, способные полностью удовлетворить потребности в воде нескольких семей одновременно.

Ни для кого не секрет, что бурение не является экономичным процессом – для него требуется специализированное оборудование, а опытные бурильщики должны контролировать и управлять процессом. Ведь бурение скважин лицензированный… Отсюда и его высокая цена.

Благодаря своей форме и конструкции буровое долото при роторном бурении может образовывать скважины гораздо большего диаметра, чем шнеки и керны

Одновременное объединение нескольких домохозяйств для финансирования общей скважины на прилегающих территориях является экономически эффективным мероприятием. Но для этого нужны значительные долги. В большинстве случаев водоносные горизонты четвертичных отложений (песков) не могут их обеспечить.

Конечно, для коллективной эксплуатации водозабор лучше поставить на известняке. Добываемые из него грунтовые воды отличаются большей доступностью и чистотой воды. Сброс колодцев на известняк не оказывает ни малейшего влияния на объем осадков. Чего нельзя сказать о песчаных карьерах.

Во-вторых, убеждают относительно низкие затраты на электроэнергию. Рабочий элемент в роторном бурении немного. Но в отличие от шнекового и корончатого сверла буровой инструмент не взаимодействует со стенками пробуренной скважины

То есть только наконечник находится в непосредственном контакте с землей, высота которой ничтожна по сравнению с высотой всей бурильной колонны. В результате этот способ формирования скважин самый быстрый – до 1000 погонных метров в месяц!

В-третьих, глубина бурения привлекает коллективных заказчиков. Только роторным способом можно пробурить заглубленный колодец в метаморфических и магматических породах субстрата, из трещин которого можно откачивать воду, состав которой больше подходит для питьевых целей.

В большинстве случаев из водовыпусков глубиной менее 30 м забирается только техническая вода. На его состав влияют близлежащие водоемы, реки, заваленные мусором, осадки и техническая жидкость, просто проливаемая на землю. Шнек и центральная труба помогут получить именно такой водозабор.

Весь комплект бурового оборудования легко монтируется на единой платформе для автомобилей средней дальности. Это делает процесс роторного бурения более технологичным и, следовательно, более дешевым

Кроме того, роторное бурение позволяет производить бурение на максимальную глубину, не переходя на другой метод бурения. При разработке котлована винтом, например, если необходимо пробурить валун, применяется метод ударно-канатной дороги.

Для этого из ствола вынимается винтовая пуля и забрасывается долото на дно, пока валун не сломается. Тогда бойня с вором отменяется. Также его используют, если необходимо поднять на поверхность водонасыщенный песок, что в центральной трубе нетривиально.

Практика показывает, что скважины, пробуренные роторным способом, имеют больший срок эксплуатации. Технологически это объясняется тем, что после установки обсадной трубы, образующей стенки колодца, кольцо дополнительно укрепляется.

Прекрасное оборудование

Сначала на поверхность над колодцем устанавливают вертикальную консоль для дополнительного закрепления вертикальных соединений рабочего каната. Первое соединение этой буровой шахты оснащается рабочим элементом – сверлом, которое может иметь разный формат в зависимости от категории породы по буримости.

Разумеется, для бурения водяных скважин используется более компактное оборудование и, как правило, формирование обозначенной башни не требуется

Набор буровых инструментов

Когда первое звено углубляется, ставится свеча, следующее называется штангой и так далее. Длина каждого из этих блоков труб может варьироваться от 20 до 50 М. Для упрощения формирования рабочего каната каждый стержень снабжен конической резьбой с блоком.

В результате образуется перфорационная колонна, которая состоит из:

  • столбики из обычных стержней, соединенных между собой стыками.
  • бит рабочий;
  • основной аукцион;

Удержание рабочего каната осуществляется с помощью вертлюга, вращение которого осуществляется ротором. В зависимости от глубины бурения, а также физико-механических свойств грунта для формирования основного звена используются стандартные или утяжеленные штанги.

Свинцовый стержень обычно представляет собой воротник, потому что он выполняет важную технологическую задачу. Через него в забой заготовки поступает промывной раствор, задача которого – смыть щебень. А это, в свою очередь, предъявляет требования к муфтовым соединениям, задачей которых является герметизация стыков между звеньями.

Не забывайте, что давление жидкости напрямую зависит от высоты образовавшегося столба (и не зависит от сечения трубы). Кроме того, даже если в качестве моющего раствора используется вода, давление будет увеличиваться на 1 атмосферу каждые 10 метров.

Для сравнения стоит привести пример. Рабочее давление во внутренней трубопроводной сети в доме – 10 атмосфер, а самые прочные трубы рассчитаны на давление 20 атмосфер.

Только в том случае, если бытовые системы неподвижны и неподвижны, на приводную штангу оказывается давление, равное весу бурильной колонны. И он по-прежнему должен передавать на долото импульс и вращающую силу.

Шарниры являются наиболее важными элементами стрелы, поскольку они несут на себе вес всей нижней части соседней стрелы, а также нагрузку от динамических колебаний и вращательного движения, передаваемых двигателем

К соединениям как конструктивным элементам бурильной колонны предъявляются следующие требования:

  • он должен иметь возможность передавать крутящий момент от верхней части рабочей колонны к основанию и, наконец, к долоту.
  • он должен гарантировать герметичность соединения штанг и выдерживать давление жидкости до 100 атмосфер (очистить днище напорной струей);
  • он должен быть износостойким, чтобы не приходить в негодность при трении о стенки колодца;

крайне важно, чтобы стыки были правильной обработки. Если хотя бы один из них не выдержит нагрузки и рабочий трос порван, достать нижнюю часть вместе с битой будет крайне сложно. С точки зрения капитальных затрат иногда легче пробурить поблизости новую скважину, чем достать незакрепленную свинцовую штангу.

Расход воды при бурении

Жидкость, которая подается на бойню, часто представляет собой простую воду. Иногда для стабилизации скважины, проходящей через рыхлые и несвязные породы (отложения песка, щебня, гравия и гальки), в скважину вводят раствор с буровыми добавками. Это необходимо, потому что обсадная колонна не ставится на ранних стадиях проникновения.

Вода, поступающая в туннель, находится под давлением внутри направляющей штанги (и, таким образом, откачка происходит через кольцевой пространство), или под действием силы тяжести вниз через кольцевой пространство, а удаление уже происходит через рабочую колонку откачивающим насосом.

Это 2 разные технологии вращательного бурения, характеристики которых будут рассмотрены ниже.

Для вращательного бурения характерна самая высокая скорость освоения водозаборной скважины. Одновременно с бурением производится опорожнение скважины и подготовка проезжей части к предстоящей операции

Однако, какой бы метод ни использовался, везде, где жидкость, используемая при бурении, должна быть очищена (для дальнейшего использования).

Для этого используется следующий комплект оборудования:

  • Водосточная система. Они необходимы для движения воды от точки образования шахты к месту ее очистки.
  • Сарай для хранения бурового раствора. (Если планируется пробурить неглубокую скважину, то в течение нескольких десятков ее можно уложить прямо в землю, а в качестве промывочной жидкости использовать обычную воду). Хлев служит накопителем промывочной жидкости.
  • Вибросито. Поднимаемая из скважины промывочная жидкость несет в себе частицы дробленой породы, которые необходимо удалить. Самый эффективный метод – механический с использованием вибросита.
  • Отстойник После удаления крупных частиц породы жидкость поступает в отстойник для удаления осаждающихся взвешенных частиц. Когда вода используется в качестве промывочной жидкости, отстойник иногда также встраивается непосредственно в землю. Кроме того, для отделения жидких веществ и отделения отложений используется гидроциклон.
  • Буровой насос. Именно он обеспечивает циркуляцию моющего раствора.

Всего для разработки скважины по роторной технологии требуются следующие механизмы и оборудование:

  1. Вышка или консоль для сборки бурильной колонны из штанг и ее демонтажа после завершения бурения, а также система буровой установки.
  2. Мотор, вращающий ротор.
  3. Жидкое оборудование. Механизмы и устройства для циркуляции и очистки промывочной жидкости (насос; вибросито; отстойники и / или гидроциклон; сарай для хранения промывочной жидкости; система труб и водостоков).

Для роторного бурения неглубоких скважин весь перечисленный комплект оборудования очень компактен (например, консольный кронштейн складной). Это обеспечивает легкое позиционирование бурового оборудования в любом удобном месте для проведения буровых работ и последующей эксплуатации.

Два варианта ротационной перфорации

В зависимости от способа подачи бурового раствора на забой скважины различают 2 типа технологии вращательного бурения:

  1. с прямым питанием;
  2. с обратным питанием.

Следует отметить, что подаваемая на дно жидкость предназначена не только для промывки и удаления щебня. Он также охлаждает наконечник, который сильно нагревается от трения. В случае прямой подачи жидкости насос создает избыточное давление.

Вода поступает в скважину через технологические отверстия в наконечнике, «собирает» щебень и затем самотеком течет через скважину (т.е кольцевой пространство по отношению к приводной штанге) выходит на поверхность, где входит в комплекс очистки (виброгрохот, гидроциклон).

Мойка может быть прямой или обратной, от чего будут зависеть качественные характеристики используемого оборудования, но концепция действительна для обоих типов технологий

Технология обратной подачи подразумевает, что буровой раствор течет на забой под действием силы тяжести, опускаясь по скважине, но раствор с измельченным материалом возвращается на поверхность через трубу главного ствола. Буровой насос в этом случае создает внутри себя отрицательное давление.

Несмотря на кажущуюся простоту обеих технологий, нюансов здесь гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Поэтому представляется целесообразным остановиться на каждой из этих технологий бурения более подробно.

Бурение с использованием промывочной жидкости

Эту технологию иногда также называют «прямым водотоком». Рекомендуется использовать на песчаных, гравийных, каменистых почвах. Также его применяют, если глубина водоносного горизонта не превышает 30 М. Именно здесь в жидкость добавляют добавки, повышающие ее плотность и устойчивость ствола.

Для вращательного бурения характерно постепенное уменьшение диаметра пробуренной скважины. Другими словами, сначала просверливается отверстие с наибольшим диаметром, затем сидит труба и кольцевое пространство между внешней поверхностью трубы и стенкой колодца через технологические отверстия заполняются цементным раствором.

Дальнейшая перфорация продолжается меньшим сверлом. Затем снова обрамление, и новая секция имеет еще меньший диаметр и так далее: чем реже нужно «отвлекаться» от цементирования скважины, тем выше производительность бурения, что в конечном итоге приводит к общей стоимости процесс и скважина в целом.

Кроме того, слишком частое нанесение покрытия в конечном итоге приводит к тому, что эффективный диаметр скважины (диаметр, проникающий в водоносный горизонт) значительно уменьшается. Таким образом, для «прямого потока» характерно то, что скважина при таком способе формирования не может быть погружена на глубину до 100 метров.

Основное давление промывочной жидкости создается насосом внутри исполнительного стержня, e кольцевой пространство заполняется жидкостью с элементами горной породы, раздробленной силой тяжести, без разрушения стенок колодца из-за избыточного давления.

Схема сверления с прямой подачей промывочной жидкости. Его подача на дно осуществляется по трубе основной штанги и самотеком поднимается на поверхность

Однако у этого метода бурения есть свои недостатки. В частности, слишком долго без футляра участок приводит к тому, что в водоносные горизонты попадают мелкие частицы глины, что может значительно уменьшить и замедлить поступление воды в технологическую среду из водоносного горизонта.

Эти частицы здесь играют роль своеобразной закупорки пор и микроканалы в скале, через которую фильтруется вода. Поэтому нанесение покрытия при бурении необходимо для поддержания дальнейшей продуктивности скважины в целом.

Бурение с обратной промывкой

При таком способе работы с жидкостью лучше всего очищать колодец и дно. Насос здесь не вдавливает жидкость в забойный колодец, а, наоборот, всасывает ее, и это приводит к тому, что скорость образования колодца при этом немного увеличивается на порядок и даже в несколько раз по сравнению с прямой стиркой.

Сама скважина не подвергается загрязнению глинистыми включениями потоком подаваемого бурового раствора. Ведь помпа всасывает все, что в ней может содержаться. Кстати, в дополнительных добавках уже нет практического смысла, поэтому в качестве самой промывочной жидкости используется чистая вода.

Схема обратной промывки при вращательном бурении. Подача осуществляется под действием силы тяжести через кольцо, и осадок отводится насосом по трубе направляющей штанги

Итак, резюмируя преимущества обратного бурения:

  • в качестве рабочего тела используется простая (а значит и экономичная) вода.
  • скорость бурения увеличивается (по сравнению с прямым потоком) до 15 раз;
  • водоносный горизонт не забит глиняными частицами и пыльными песчинками снизу, даже без футляра уровни колодцев;
  • за счет качественного вскрытия водоносного горизонта не нужно дополнительно готовить скважину к эксплуатации, можно сразу установить внутреннюю колонну футеровки с фильтром и начать откачку насосом;

Однако у этого метода есть и существенный недостаток. Это требует привлечения дорогостоящего оборудования, что в конечном итоге приводит к значительному удорожанию всего процесса бурения в целом.

Поэтому бурение с «обратным водотоком» проводится только в тех случаях, когда скважина рассчитана на работу сразу нескольких хозяйств. Но если скважина рассчитана на индивидуальную эксплуатацию, то гораздо разумнее использовать технологию роторного бурения с прямым потоком.

Выводы и полезные видео по теме

Видео №1. Наглядная демонстрация пошагового процесса роторного бурения:

Видео № 2. Анализ роторной техники и принципов строительства скважин:

Видео № 3. Циркуляция воды при роторном бурении:

Ситуация с наличием и глубиной водоносных горизонтов может сильно варьироваться от места к месту (а где-то их вообще нет, как на острове Мадейра).

При проектировании скважины и выборе оптимального метода вращательного бурения следует использовать существующие карты исследуемых водоносных горизонтов. Это сэкономит вам время и деньги.

Расскажите о своем опыте разработки вращающихся скважин. Поделитесь некоторыми технологическими нюансами, которые будут полезны посетителям сайта. Пожалуйста, оставляйте комментарии в форме блока ниже, размещайте фото и задавайте вопросы по теме статьи.

Источник – https://sovet-ingenera.com/vodosnab/kolod-skvazh/rotornoe-burenie-skvazhin.html
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об инженерных системах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: