Способы бурения и оборудование

Способы бурения и оборудование

Колодцы, которые устраивают посредством бурения, называют буровыми. Второе название – «трубчатые колодцы» – они получили по причине того, что в пробуренную скважину опускают стальные трубы нужного диаметра с установленным трубчатым фильтром.

От других видов колодцев трубчатые отличает то, что последние имеют довольно небольшой диаметр при значительной длине водозаборной части (глубина самого колодца редко превышает 30 м, хотя в отдельных случаях может доходить до 70 м (разумеется, это не относится к промышленным скважинам)). Посредством трубчатых колодцев можно поднимать воду и из напорных источников, и из безнапорных. В обоих случаях колодцы могут доходить как до водоупора, т. е. быть по своему устройству совершенными, так и заканчиваться в водоносном горизонте, т. е. оставаться несовершенными.

Трубчатые колодцы отличает простое устройство, которое включает трубу, погруженную в пробуренную скважину, и трубчатый фильтр. Буровой колодец предназначается для тех ситуаций, когда расход воды небольшой. При этом либо насос, либо его приемную часть опускают в фильтр (это несомненное достоинство трубчатого колодца, поскольку подъем воды ведром или бадьей менее гигиеничен).

Верхняя часть трубчатого колодца называется устьем, которое оформляется оголовком. Он одновременно не только предупреждает попадание в колодец мусора, но и является основанием, на котором монтируются водоподъемные механизмы.

Для устройства трубчатого колодца необходимо специальное оборудование, с помощью которого осуществляют механическое бурение. Известно несколько способов бурения:

• вращательный, при котором проходку ведут путем вращения бурового инструмента;

• ударный, при котором буровым инструментом ударяют по грунту, разрушая его;

• вибрационный, при котором применяют воздействие колебаний высокой частоты. К этому способу при сооружении колодцев на индивидуальных участках не прибегают, поэтому мы его рассматривать не будем.

Выбор конкретного способа определяется составом грунтов, которые предстоит пройти. Рассмотрим их более подробно.

Ручное ударно-вращательное движение основано на использовании мускульной силы человека и практикуется там, куда трудно доставить соответствующее оборудование. Максимальный диаметр скважины составляет 200–250 мм.

Проходку скважины ведут путем вращения буров, однако в твердых, сыпучих породах и в плывунах применяют долота и стаканы.

Подобранный буровой инструмент прикрепляют к буровым штангам (особым стержням), которые либо то опускают в забой, то извлекают из него, либо вращают. Проходку в пластичных грунтах, к которым относятся глинистые и глинисто-песчаные породы, используют ложковые буры, или, говоря профессиональным языком, ложки. Они представляют собой полуцилиндр, изготовленный из листовой стали (диаметр корпуса – 70, 102, 140, 198 мм при длине 700–750 мм), имеющий левую отогнутую режущую кромку. Срезанная порода наполняет полуцилиндр и не выпадает из него благодаря сжатию и прилипанию к стенкам. С той же целью при проходке через сыпучие грунты продольную щель между кромками делают более узкой. В процессе движения ложка выбирает породу благодаря вертикальной и нижней режущей кромкам. Нижняя часть ложки может иметь разную конструкцию. При самостоятельном исполнении проще всего применить такие варианты устройства низа ложки:

• в виде ковшеобразного резца;

• в виде резца с левой стороны и в виде поперечного выступа с правой стороны.

Во втором случае между отгибами дополнительно к телу ложки приваривают сверло по металлу. Естественно, что для этого необходимо нагреть металл до соответствующей температуры. Однако можно обойтись и без термической обработки кромок, если для ложки подобрать трубу нужного диаметра.

Особенность ложковых буров состоит в том, что их корытообразный корпус чуть сдвигают от оси вращения, в частности у бура со сверлом оси нижнего сверла и вращения штанги совпадают, а ось тела ложки смещена примерно на 10–15 мм. Благодаря этому ложковый бур при вращении в скважине будет выбирать в породе отверстие большего диаметра, чем диаметр ложки. Это сыграет положительную роль при погружении обсадной трубы, внутренний диаметр которой, как правило, вынужденно берут больше наружного диаметра ложки. Дело в том, что в случаях возможного обвала стенок скважины ее одновременно бурят и фиксируют обсадной трубой, в которую ложка должна входить.

В процессе выполнения проходки порода собирается в ложке, ее достают из скважины вместе с инструментом, потом процесс повторяется. При этом за каждый проход глубина скважины увеличивается на 30–40 см.

Самодельный бур иногда делают в виде стального диска, у которого вырезают и отгибают кромки. Но им можно воспользоваться для бурения в пластичных, не склонных обваливаться грунтах. Однако следует знать, что при работе он отклоняется в сторону, что искривляет проходку, и, кроме того, им невозможно выполнить уширение скважины.

В отдельных случаях нет необходимости устраивать глиняный замок. Это касается ситуаций, когда под верхним плодородным слоем лежат песчаные, торфяные или каменистые грунты. Не делают его и в грунтах, подверженных морозному пучению.

Для плотных грунтов (глин и суглинков) изготавливают бур другой формы – змеевик с нижним режущим лезвием, напоминающим ласточкин хвост, причем бур необходимо закаливать. Диаметр змеевика – 70, 104, 140 мм, длина – 650, 700, 820 мм соответственно.

Принцип действия змеевика прост – он работает, как штопор, т. е. при вращении он постепенно погружается в породу. Выбранный буром грунт удерживается на лопастях.

Поскольку змеевик изготовить непросто, то самодеятельные бурильщики вместо него применяют отрезки винтовых шнеков, которые устанавливают на сельскохозяйственных машинах (иногда для этих целей используют ледовый бур). Для этого, подобрав шнек с 3–4 витками, к нему снизу приваривают сверло по металлу (его роль – центрировать бур в скважине), а сверху – кусок трубы, чтобы смонтировать со штангами.

Для бурения твердых пород и галечников применяют буровые долота, которые, если требуется, делают эксцентричными относительно оси шейки. Таким образом тоже можно выполнить уширенную скважину, необходимую для опускания обсадной трубы. Для пород разной плотности подбирают долота, различающиеся углом заострения лезвий, например для мягких пород он составляет 70–80°, для твердых и галечников – 110–130°. Сообразуясь с буримостью пород, используют долота разной формы, например для не слишком твердых применяют зубильное долото, для твердых и галечников – двутавровое или скругляющее, для твердых трещиноватых – крестообразное (его лезвия перпендикулярны друг другу, благодаря чему не заклиниваются в трещине), для разрушения попадающихся некрупных камней – пирамидальное и т. д.

Изготовить долото той или иной классической формы в домашних условиях, не имея специального оборудования (кузнечно-прессового, особой закрытой печи и др.), практически невозможно, но можно сконструировать самодельный аналог (разумеется, если есть такая возможность), прибегнув к фрезерованию его из цельной заготовки; изготовлению долота из мягкой стали и выполнению режущих кромок способом твердосплавной наплавки. Есть еще один способ, представляющийся более доступным: из мягкой стали сварить корпус долота, из стальных зубильных лезвий собрать для него режущую часть (последнее можно сделать в условиях обычной кузнечной мастерской). Для долота можно применить кусок листовой рессоры, обрезанный до нужного размера автогеном, потом ее отпустили, просверлили в ней отверстия и вмонтировали в корпус (его сварили из стальных пластин) с помощью заклепок. Практика свидетельствует, что таким приспособлением можно бурить скважину диаметром 250 мм. Есть и другие варианты, информацию о которых можно найти в соответствующей литературе.

Конечно, самодельное долото нельзя сравнивать с заводским, ведь понятно, что ресурс и производительность первого весьма ограничены, но, учитывая, что самодеятельный бурильщик предполагает пройти только одну скважину, то их оказывается достаточно. Кроме того, следуя инструкциям, при каждом подъеме долото надо осматривать, вовремя затачивать (вставные лезвия быстро тупятся) и т. п.

При выполнении проходки могут попадаться валуны. В ряде случаев оказывается, что их легче извлечь, чем дробить долотом непосредственно в скважине. Хитроумные самодеятельные бурильщики на этот случай имеют специальные приспособления, например вилку с несколькими стальными зубьями или сачок (стальной пруток овальной формы, приваренный к штанге, с мешком) и гарпун (стальной стержень с заостренным концом и острой пластиной, которая приварена к нему под углом).

Если проходку ведут в рыхлых, обломочных породах, то для этого используют особый инструмент, называемый желонкой (она же пригодится, когда нужно очистить скважину после применения долота). Это отрезок трубы длиной 2–3 м, у которой внизу имеется специальный башмак с клапаном (как правило, он бывает плоским, изготовленным из стальной пластины, дополнительно может иметь уплотнение из резины и т. п.; если диаметр желонки небольшой, то устанавливают шариковый клапан), а вверху она оснащена устройством, с помощью которого соединяется со штангой.

Желонка работает так:

• будучи опущенной в забой, ее башмак врезается в породу;

• последняя поднимает клапан и втягивается в трубу;

• при подъеме клапан возвращается на место и не позволяет породе выпасть;

• забитую породой желонку поднимают на поверхность, переворачивают вверх клапаном (для этого есть особое устройство, при использовании которого можно не отсоединять желонку от штанги), очищают.

При бурении змеевиком действует правило: через каждые 1,5–2 оборота надо приподнимать его на несколько сантиметров, чтобы освободить буровые штанги от основного массива породы, иначе усилие подъема возрастет и штанги могут порваться.

Самодеятельному бурильщику, который изготавливает желонку из подручных материалов в домашних условиях, лучше сделать желонку длиной не более 1 м (не стоит гнаться за производительностью профессионального оборудования), а сбоку сделать отверстие (окно), через которое легко достать до клапана и очистить желонку, не переворачивая ее. Чтобы при подъеме не зацепиться желонкой за обсадную трубу, в ее верхней части есть косынки и конус.

Помимо названных инструментов, необходимо иметь буровые штанги. При бурении до 25 м глубиной допустимо использовать газовые трубы с внутренним диаметром 33, 42 или 48 мм длиной 3 м (штанги длиной 1–1,5 м нужны для начального забуривания). Перед тем как пустить их в дело, надо обратить внимание на сварные швы. Дело в том, что, если они выполнены некачественно, то при бурении, когда на них будет оказываться большая нагрузка, они могут разойтись. Поэтому лучше брать цельнотянутые трубы.

В старинных руководствах указывают, что штанги можно сделать из дерева и что более всего для этой цели подходят тонкослойная ель, дуб, лиственница или ясень (понятно, что деревянными штангами бурить на большую глубину невозможно, диаметр же скважины не превышает 3 дюймов).

Для соединения труб надо заготовить специально для этого предназначенные муфты, которые не только длиннее обычных водопроводных или газовых муфт, но и имеют бочкообразную форму и гладкие концевые внутренние проточки, способные принимать и плотно удерживать концы свинчиваемых штанг, у которых отсутствует резьба (она может ослабить концевые сечения штанг и те не выдержат возникающих при бурении изгибающих нагрузок).

В процессе свинчивания и развинчивания штанги повисают в забое на подкладной вилке. Опорой им служит муфта.

Из принадлежностей штанги надо назвать фарштуль, с помощью которого тоже осуществляют подъем и спуск штанг. Его составными частями являются серьга, ушки которой надеты на цапфы траверсы. В середине последней есть вырез, предназначенный для пропуска штанг. Для фиксации выреза установлена щеколда. Когда штангу заводят в фарштуль, муфта опирается на край выреза траверсы.

При ударно-вращательном бурении могут возникать нештатные ситуации (причины – отсутствие опыта у самодеятельного бурильщика, применение материалов по принципу «что есть под рукой» и пр.), при которых из скважины требуется достать какой-либо предмет (обычно это оторвавшаяся штанга). Для таких случаев необходимо иметь специальный инструмент:

• ловильный винт (метчик), выполненный из закаленной стали в виде конуса. Его нижний конец сделан так, что он входит в отверстие штанг. На винте выбраны продольные канавки. В них помещается стружка, которая образуется, когда винт прорезает стенки штанги;

• ловильный колокол, который применяют, если отверстие оторвавшейся штанги деформировано (замято);

• ловильный штопор для подъема мелких предметов.

Чтобы поднять из глубокой шахты колонну штанг, необходимы ворот или лебедка и опора для верхнего блока. Для этого устанавливают буровую вышку (копер), которая имеет вид треноги с канатным блоком наверху, через который пропускают прочный канат или стальной трос. Ее высоту определяют глубина бурения, длина обсадных труд и др.

При ударном бурении требуется поднять инструмент со штангами примерно на 1–1,5 м и бросить его в шахту. Эту тяжелую работу облегчает балансир, изготовленный из стальной балки или деревянного бруса (подойдет и доска толщиной 60 мм), хотя более современным является фрикционная лебедка, с помощью которой удар осуществляют, оттянув канат.

Для подъема труб, зажатых породой, используют рычаги, подставив под них козелки. К трубе крепят хомут, в который упираются рычаги и который передвигают, чтобы поднять трубу.

Для того чтобы разрабатываемая скважина имела круглую форму, штанги с укрепленным долотом при каждом ударе поворачивают (отсюда и название способа бурения – «ударно-вращательный»). Для подвешивания штанг к балансиру используют штанговый вертлюг.

При ударно-вращательном бурении необходимо правильно (строго вертикально) заложить скважину, поскольку есть риск скручивания штанг, и он тем выше, чем глубже скважина. Если скважина заложена под углом, то не избежать нескольких серьезных и опасных моментов:

• помимо возникающего напряжения скручивания, наблюдается напряжение от изгиба буровой колонны;

• по мере увеличения глубины скважины тенденция отклоняться от вертикали все более усиливается, что создает проблемы как непосредственно для бурения, так и для подъема и опускания обсадных труб.

Если есть тренога, то скважину закладывают, подвесив на нее оборудование, благодаря чему обеспечивается ее вертикальность. В отсутствие треноги приходится удерживать штаги руками, поэтому в работе должны участвовать 3 человека – двое устанавливают и ввинчивают ложковый бур, третий контролирует вертикальность штанги. Как только бур погрузится на половину своей длины, его извлекают, счищают прилипший грунт, влив в скважину воду (она предотвращает осыпание стенок шахты, склеивает сухую породу, чем облегчает ее удержание, выполняет функции смазки), опускают, проверяют вертикальность и т. д.

В процессе бурения устье скважины разрабатывается, поэтому через 3–4 м проходки ее укрепляют обсадной трубой (1–2 звеньями), которая заканчивается режущим башмаком, а вверху имеет патрубок.

Необходимость применения обсадных труб диктуется несколькими причинами:

• пластичные породы, прорезанные буром, от наличия воды в скважине разбухают или вспучиваются под воздействием давления, которое создают верхние пласты. В итоге просвет скважины может настолько сузиться, что спускание бурового оборудования станет невозможным;

• неустойчивые породы, такие как пески, гравий и другие, в отсутствие обсадной трубы осыпаются, что приводит к результату, указанному в пункте 1;

• при долблении твердых пород долотом образуется так называемая бурильная грязь (раздробленная порода), для удаления которой долото поднимают, опускают желонку и таким образом выбирают ее. Обсадные трубы облегчают эту процедуру.

Если водоносные пласты залегают на глубине более 10 м, ударно-вращательное бурение становится очень трудным (особенно, если бур упирается в камни), так как:

• штанги настолько удлиняются, что начинают гнуться;

• искривление скважины практически неизбежно;

• монтаж штанг (свинчивание-развинчивание) требует все больше времени;

• опасность разрыва штанг все более усиливается.

Однако есть возможность значительно облегчить бурение. Для этого штанги следует заменить тросом и вести проходку ударно-канатным способом. Надо заметить, что ударно-канатное бурение знали и практиковали еще в Древнем Китае. Естественно, что оборудование было деревянным, использовался ручной труд, темпы бурения были медленными, однако в течение нескольких лет (или десятилетий) таким способом сооружали колодцы глубиной до 1,5 км.

Самодеятельные бурильщики соединяют штанги фланцами, штифтами с соединительными втулками. Их главный недостаток – невозможность достижения соосного соединения штанг из-за возникающих погрешностей при сварке и люфта во втулках.

В нашей стране ударно-канатное бурение было описано и освоено еще в начале прошлого века. При этом применялся буровой снаряд Шитца. Его конструкция проста:

• берут столб диаметром 140–200 мм. На одном из концов выполняют поперечину с подкосом и блоком;

• буравом проделывают скважину глубиной 1 м. В нее поперечиной вверх вертикально ставят столб. Для устойчивости его фиксируют оттяжкой за якорь;

• на блок подвешивают бурав, чтобы определить центр будущей скважины;

• пробуривают скважину глубиной 1 м;

• далее применяют конический стакан, подвешенный на веревку. Подтягивая последнюю, стакан поднимают на высоту 1–1,5 м и бросают. При врезании в дно скважины стакан заполняется грунтом, уплотняется и удерживается, пока не будет поднят на поверхность, где он освобождается от породы.

Буровой снаряд Шитца бесполезен, если на пути проходки встречаются крупные камни или сплошной каменистый грунт. Поэтому он требует усовершенствования, которое заключается в замене стакана долотом и веревки – тросом.

В настоящее время ударно-канатное бурение широко распространено, поскольку при использовании современной конструкции способ приобретает универсальность и может применяться на грунтах независимо от их состава. Технологию ударно-канатного бурения мы рассмотрим далее, а пока остановимся только на оборудовании, которое для этого необходимо.

Комплект установки для осуществления ударно-канатного бурения состоит из следующих элементов:

• забивного стакана;

• ударной штанги;

• стального троса или прочного каната;

• треноги;

• лебедки;

• блока.

Самостоятельно изготовить забивной стакан хотя и непросто, но вполне реально. Для этого нужно взять 2 фрагмента трубы. В том, который послужит нижней частью, вырезают клинья, после чего деталь нагревают, клинья подгибают, сваривают их таким образом, чтобы образовался конус.

Практика применения ударно-канатного способа бурения показывает, что скважина идет абсолютно вертикально, глубина ее ограничивается исключительно длиной троса, благодаря лебедке проблем с опусканием и подъемом не возникает, более того, для этого не требуется прилагать значительных физических усилий.

Поднимая и опуская штангу в скважину, развинчивают по два-три колена, причем их надо удерживать вертикально, а не класть на землю, поскольку во втором случае при подъеме они под собственным весом гнутся, что недопустимо.

Бурение скважины проводят с применением обсадной трубы. В которой буровой инструмент должен свободно перемещаться, поэтому между ними должен быть зазор 10–15 мм. Этому элементу, который применяется независимо от выбранного способа бурения, надо уделить некоторое внимание.

Для самодельного бурового колодца в качестве обсадной практичнее всего использовать стальную трубу, поскольку она прочная и более удобная в соединении. Применяют асбоцементные, керамические, чугунные и даже деревянные обсадные трубы (последние, конечно, можно отнести к истории, хотя это очень доступный и вполне работающий вариант).

Обсадная труба состоит из отдельных звеньев, длина которых может быть равна 2–4 м. Их соединяют посредством сварки или резьбовыми муфтами, выбор того или иного способа определяется диаметром труб: при внутреннем диаметре 50 мм удобнее воспользоваться муфтами (такими же, как для соединения штанг), при диаметре 100 мм и более – сваркой.

Кроме того, чтобы свинтить звенья трубы потребуются хомуты. Лучше всего взять деревянные, чтобы не смять торцы, ведь трубы довольно тонкостенные. А для подвешивания обсадной трубы более подойдут стальные хомуты, которые легко справятся с возникающей нагрузкой.

Если предполагается сваривать звенья обсадной трубы, то их нарезают длиной 2–3 мм, причем линии разреза придают мысикообразную форму. Это позволит облегчить центровку элементов, и при сварке не появится больших зазоров. Каждый разрез помечают краской.

В процессе бурения нижний конец обсадной трубы упирается в твердые породы или твердые включения, например гальку, которые могут смять торец. Чтобы этого не произошло, нижний конец трубы снабжают башмаком или фрезером (с режущими кромками, ориентированными по часовой стрелке, т. е. в направлении проворачивания), присоединив их посредством сварки или посадив на резьбу.

Важная, прежде всего при ударно-вращательном бурении, принадлежность обсадной трубы – патрубок. Это отрезок такой же трубы длиной 150–200 мм с нарезанной на одном конце резьбой. Он необходим в тех случаях, когда звенья обсадной трубы соединяют посредством муфты. Благодаря нему резьба верхней муфты не будет изнашиваться при соприкосновении со штангой.

Выше мы уже говорили, что трубчатый колодец представляет собой трубу, которая заканчивается фильтром. После того как мы выяснили, каким способом можно опустить трубу в пробуренную скважину, осталось рассмотреть, какими бывают фильтры и когда без него можно и обойтись.

В зависимости от строения водоносного пласта, водоприемная часть бурового колодца может иметь разную конструкцию, т. е. она может оснащаться фильтром или нет. Последнее возможно в тех случаях, когда у нижнего обреза обсадной трубы с помощью желонки можно выполнить полость, в которую притекает вода и которая постепенно не затянется. В таком случае надобность в установке фильтра отпадает. Если водоносный пласт является плывуном, то для предупреждения затягивания скважины песком, ее необходимо оборудовать фильтром.

Конструктивно фильтры могут быть устроены по-разному, но самодеятельные бурильщики, как правило, используют простой сетчатый фильтр.

Ассортимент проволочных фильтровальных сеток достаточно широк. Они различаются по следующим параметрам:

• формой ячеек в свету, которые бывают квадратными, прямоугольными, нулевыми;

• размером ячеек. Для буровых колодцев более всего подходят сетки с мельчайшими и мелкими ячейками (площадь ячеек – 0,025–0,25 мм² и 0,25–1 мм² соответственно);

• переплетением проволок, которое бывает полотняным и саржевым;

• материалом. Сетки изготавливают из меди, никеля, латуни, стали и др.

Чтобы правильно подобрать сетку, необходимо иметь представление о зернистости водоносного пласта. Чаще всего выбирают сетку с нулевыми ячейками, так как фильтры с ними менее подвержены засорению. При самостоятельном изготовлении сетчатого фильтра перфорированную часть трубы обматывают проволокой, выдерживая расстояние между витками 1,5–2 мм. Проволока приподнимает сетку над трубой и таким образом пропускная способность фильтра возрастает. Концы проволоки приваривают или припаивают, прихватить ее надо и посередине.

Поверх проволоки на трубу надевают сетку, используя тот же способ крепления, что и для проволоки. При этом сначала фиксируют один край сетки, потом ее натягивают и закрепляют с противоположного края. Чтобы сетка не оказалась меньше нужного размера, перед тем как ее отрезать, измеряют окружность трубы и делают необходимый припуск, что позволяет легко заправить ее концы. Их подгибают внутрь, вставив в загиб проволочные стержни диаметром 2,5–3 мм, благодаря чему сетка не разорвется при натягивании. Для сшивания сетки используют проволоку, а кромки (верхнюю и нижнюю) прикрепляют к трубе сваркой или пайкой.

Водоприемник, находящийся ниже фильтра, должен заканчиваться глухим резервуаром, в котором будут собираться неотфильтрованные частицы.

Для установки фильтра в обсадную трубу используют штангу. Поперечные выступы, которые имеются на ее нижнем конце, должны быть заведены в штыковую муфту фильтра. После этого, фиксируя фильтр штангой, обсадную трубу приподнимают с помощью лебедки или домкрата (профессионалы называют это обнажением фильтра), штангу, повернув, извлекают из штыковой муфты и поднимают на поверхность.

Частицы песка, миновавшие фильтр, либо будут удалены при откачивании воды, либо попадут в отстойник, где на них осядут более крупные фракции, которые превратятся в естественный фильтр. Поэтому даже нежелательно, чтобы фильтр задерживал абсолютно все.

Помимо сетчатого фильтра, трубчатый колодец (если его диаметр позволяет) можно оснастить фильтром из крупнопористого бетона. Он имеет вид трубчатых блоков длиной 200–400 мм при толщине стенки 30–35 мм, которые вставляют в окна трубчатого каркаса, закрепив по торцам цементным раствором. Примерно через 24 ч фильтр опускают в скважину.

Распространены и другие конструкции фильтров для трубчатого колодца, например дырчатый без сетки, гравийный, щелевой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.