Бурение неглубоких скважин без промывки

При проведении геолого-поисковых работ, поисках руд цветных и редких металлов, при разведке строительных материалов, сейсмической разведке, инженерно-геологических изысканиях получили распространение неглубокие скважины, глубина которых достигает 50-100 м.

Диаметры скважин определяются полевым назначением работ, необходимой малой пробы. Требованиями к сохранности структуры и текстуры извлекаемых проб и необходимостью применения обсадных труб.

При инженерно-геологических исследованиях бурятся скважины диаметром 90-200 мм.

При разведке химического сырья и строительных материалов - диаметром 93-200 мм.

При разведке россыпных месторождений золота, платины - диаметром 150-200 мм.

Породы, залегающие неглубоко от поверхности, разнообразны по механическим свойствам. Поэтому для бурения неглубоких скважин применяют различные типы буровых станков, отличающихся способом разрушения породы и технологией бурения. Обычно породы верхней части разреза неустойчивы и требуется крепление стенок скважин обсадными трубами с одновременным бурением и отбором проб грунта с ненарушенной структурой. При таких условиях целесообразно применять способ бурения, не требующий промывки глинистым раствором.

Применяю ручное и механизированное бурение, при этом механизированное:

1. ударно-канатное,

2. вращательное шнековое,

3. вибрационное,

4. задавливанием,

5. комбинированное.

Ручное ударно-вращательное бурение

Ручное бурение, при котором все операции выполняются вручную, применяют в труднодоступных районах для проходки одиночных или небольшого числа неглубоких скважин в мягких осадочных породах. Этот вид бурения используется для проходки геолого-съемочных, геологоразведочных и инженерно-геологических скважин глубиной до 10-15 м и диаметром 25-250 мм. В зависимости от характера пород бурение ведется или вращательным или ударным способом.

В состав бурового комплекта для ручного бурения входят буровой породоразрушающий инструмент, бурильные и обсадные трубы и их принадлежности, буровая вышка, балансир и инструмент для ликвидации аварий.

В качестве породоразрушающего инструмента при ручном вращательном бурении применяют спиральные и ложковые буры. Спиральный бур (змеевик) применяется для бурения мягких и пластичных пород (глин, суглинков, мела и др.), т.е. те, которые хорошо удерживаются на витках бура. Ложковый бур используется для бурения мягких невязких пород (песков, супесей, суглинков и др.). При вращении бура с одновременной нагрузкой на забой ковшеобразное лезвие бура погружается в породу и срезает ее по всей площади забоя.

Вращательным способом бурят скважины в мягких породах - супесях, суглинках, лёссе, глинах, мягком меле и др.

Породоразрушающий инструмент, соединенный через переходник с бурильными трубами, опускают в скважину и приводят во вращение при помощи поворотного хомута, закрепленного на трубах над устьем скважины. Под действием осевой нагрузки породоразрушающий инструмент погружается в породу и заполняется ею. После заполнения бура его извлекают из скважины, освобождают от породы и вновь опускают в скважину для продолжения бурения. Спуск в скважину и подъем инструмента выполняют с помощью лебедки, установленной на вышке.

В качестве инструмента для ударного бурения применяют долота различного типа: плоские, крестовые, двутавровые, эксцентричные и пирамидальные. Для очистки скважин от разрушенной долотом породы используют желонку. При бурении в рыхлых, мягких породах желонка служит основным проходческим инструментом.

Ударным способом бурение производят в породах средней твердости - известняках, мергелях, плотном меле, слабосцементированных песчаниках и др. буровой снаряд состоит из долота и утяжеляющей его ударной штанги, соединенных с колонной бурильных труб. Бурение производят путем подъема бурового снаряда над забоем и сбрасывания его на забой. После каждого удара по забою приподнятый снаряд поворачивается на некоторый угол. После разрушения определенного объема породы буровой инструмент поднимают на поверхность и производят очистку скважины от разрушенной породы с помощью желонки.

Подъем и сбрасывание бурового снаряда при бурении производят ручным балансиром, установленным на вышке. Для подъема и спуска бурового инструмента и обсадных труб применяют ручную лебедку, укрепленную на вышке или специальной раме.

Меры безопасности при ручном бурении:

1. Если бурение скважин ведется без применения вышки и грузоподъемных приспособлений, то запрещается бурить на глубину более 15 м.

2. При подъеме из скважины бурильной колонны каждая труба должна отвинчиваться.

3. Лебедка должна иметь ленточный тормоз, а вороток - храповик.

4. При проведении спуско-подъемных операций запрещается поддерживать бурильные трубы ключами над устьем скважины. Использовать для этого нужно подкладную вилку или шарнирный хомут.

При ручном бурении геологоразведочных скважин в качестве пробы используют не все образцы, а только наиболее характерные для данной породы. Если мощность пласта вмещающей породы значительна, то из него берется несколько образцов. Из толщи пересекаемого скважиной полезного ископаемого сохраняется весь поднятый материал в качестве пробы. Образцы следует отбирать около лезвия ложки или змеевика и из-под клапана желонки с целью предупреждения разубоживания пробы.

Образцы пород укладываются в специальные ящики 1х0,5х0,1 м, разделенные перегородками на ячейки размером 0,1х0,1. В каждую ячейку укладываются отобранный образец и этикетка, в которой указываются номер скважины, номер образца, глубина, с которой взят образец.

Ударно-канатное бурение неглубоких скважин

Ударно-канатное механическое бурение применяют при проходке неглубоких инженерно-геологических скважин в связных, рыхлых и сыпучих грунтах, сухих и водонасыщенных породах. С помощью установок ударно-канатного бурения бурят скважины диаметром до 168 мм на глубину до 30 м. Инструмент для бурения неглубоких скважин ударно-канатными установками в нескальных грунтах позволяет бурить колонковым способом с получением ненарушенных образцов породы.

Бурение связных грунтов производится забивным способом, мягко-пластичных глинистых пород - “клюющим” способом. В несвязных породах применяют желонирование. Для бурения валунно-галечниковых отложений используют долота, которыми порода измельчается на забое, а затем извлекается желонками.

Для забивного способа используют забивные стаканы или грунтоносы, соединенные с ударным патроном. При поднимании и опускании ударник ударяет по наковальне и забивает грунтонос в породу.

При “клюющем” способе применяют буровой снаряд, состоящий из забивного стакана (гильзы) и ударной штанги. Сброшенный с высоты 3-5 м буровой снаряд массой до 200 кг углубляется в породу на 0,1-0,2 м, а затем поднимается на поверхность для очистки стакана.

В несвязных породах применяют желонку, представляющую собой трубу с клапаном на нижнем конце. Желонку целесообразно утяжелять ударной штангой. Бурение желонкой обычно сопровождается креплением стенок скважин обсадными трубами.

Ударное механическое бурение мелких скважин в рыхлых и сыпучих породах без промывки осуществляют посредством легких передвижных установок ударно-канатного бурения.

Лебедкой поднимают снаряд над забоем и сбрасывают на забой. Эта установка мало производительна, т.к. полуручная. Требует много физических усилий, и все же производительность бурения ее выше в 3-4 раза ручного ударно-вращательного.

Ударно-канатный способ бурения стаканами обеспечивает удовлетворительное качество керна. Углубление за рейс “клюющего” и забивного способов бурения скважины диаметром 70-219 мм устанавливается в зависимости от свойств пород в пределах 0,3-0,8 м. Для бурения слабоустойчивых пород применяют стаканы с клапанами.

Вращательное шнековое бурение

Шнековым бурением называется вращательное бурение, при котором разрушенная на забое порода выдается на поверхность винтовым транспортером - колонной шнеков. Этим методом бурят скважины диаметром от 65 до 475 мм на глубину 50-80 м в породах I-VI категорий.

Шнековое бурение применяют для бурения взрывных скважин при сейсморазведке, при инженерно- и гидрогеологических исследованиях, при геологической съемке, картировании и при поисках и разведке различных полезных ископаемых.

Буровой инструмент для шнекового бурения состоит из комплекта шнеков и породоразрушающего инструмента - долота. Применяют двух- и трехлопастные долота со ступенчатой режущей кромкой.

Шнек представляет собой трубу, к наружной поверхности которой по винтовой линии приварена стальная лента (реборда) толщиной 5-7 мм. Для бурения пород, содержащих твердые включения, применяют утяжеленные шнеки, реборда которых имеет толщину 8-10 мм. Применяют шнеки длиной от 1,5 до 3,0 м и диаметром от 65 до 460 мм. Шаг винтовой линии реборды принимается 0,6-0,9 диаметра шнека.

Соединение шнеков друг с другом и с долотом производят с помощью резьбы или шестигранного фиксатора.

Для шнекового бурения скважин применяют легкие переносные установки, передвижные и самоходные буровые установки.

Легкие переносные установки:

1. мотопробоотборник МП-1

2. мотобуры (Д-10М, М-1 и КМ-10).

Этими установками бурятся скважины диаметром 50-100 мм на глубину 7-10 м в рыхлых и связных породах при инженерно-геологических исследованиях.

В установку входят бензодвигатель от мотопилы “Дружба”, редуктор, комплект инструментов. Масса мотобуров 12-17 кг.

Передвижная установка для шнекового бурения УКБ-12/25.

Предназначена для бурения шнековым способом в мягких и рыхлых породах скважин диаметром 70, 105 и 140 мм на глубину 5-15 м.

В районах, доступных для автотранспорта может быть использована самоходная модификация установки УКБ-12/25, имеющая индекс УКБ-12/25 С и смонтированная на автомобиле УАЗ-469 Б.

При сейсморазведочных работах и поисках применяют буровые установки, смонтированные на автомашинах и на гусеничных тракторах. Они предназначены для бурения скважин шнеками глубиной до 50-80 м.

Например, установка шнекового бурения УШБ-16 предназначена для бурения скважин шнеками на глубину до 80 м и диаметром 150 мм. Установка смонтирована на шасси автомобиля ЗИЛ-131 или ЗИЛ-157.

Основные технические данные: мачта высотой 9,5 м; вращатель с ходом подачи до 6,5 м; двухбарабанная лебедка грузоподъемностью 2,5 т; частота вращения шнека 100-300 об/мин; при бурении в твердых породах частота вращения шнеков 80-120 об/мин.

Производительность шнекового бурения при бурении по породам I категории 75 м/г, II категории - 40 м/г, III категории - 22 м/г, IV категории - 10-14 м/г.

Образцы пород при шнековом бурении могут отбираться у устья скважины из выносимой породы, с лопастей буровых шнеков, поднятых на поверхность или с забоя при помощи специальных грунтоносов. На поверхность порода выносится в виде комков и лент различной конфигурации, часто покрытых сверху оболочкой инородной породы со стенок скважины. Поэтому необходимо изучать внутреннее строение взятого образца, разламывая его.

При геологической документации шнековых скважин очень важной является привязка отбираемых на поверхности образцов к определенной глубине скважины.

При инженерно-геологических изысканиях в породах I-IV категорий по буримости отбор проб проводится с помощью колонковых шнеков. Монолиты песчано-глинистых пород отбираются специальными обуривающими грунтоносами, снабженными невращающимися керноприемными станками.

Техника безопасности:

1. Запрещается применять шнеки с изношенными соединениями, не обеспечивающими достаточной жесткости колонны.

2. Нельзя очищать от шлама шнековые трубы руками или какими-либо предметами во время вращения.

3. Запрещается производить бурение с неогражденным шнеком.

4.Разъединение шнековых труб при подъеме допускается только после посадки их на подкладную вилку или на ключ-скобу.

Вибрационное бурение

Вибрационным называется бурение, при котором для разрушения породы на забое скважины используются механические колебания большой частоты, создаваемые вибрационной машиной и передаваемые породоразрушающему инструменту через колонну бурильных труб.

Вибрационным способом бурят скважины глубиной до 25-30 м в породах I-IV категорий. Диаметр скважин до 219 мм.

Существуют две разновидности вибрационного бурения:

а) чисто вибрационное,

б) виброударное.

При вибрационном бурении источником колебаний служит вибратор, который жестко через бурильную колонну связан с породоразрушающим инструментом и во время работы сообщает ему возвратно-поступательные движения. В результате большой частоты колебаний (1200-2500 кол/мин) мягкие породы переходят в подвижное состояние, вследствие чего вибрирующий инструмент погружается в породу под действием своего веса.

В качестве вибромеханизмов при вибробурении применяются вибраторы и вибромолоты. Бурильная труба вместе с инструментом присоединяется к поверхностному вибратору посредством переходника.

Вибратор генерирует вертикальные колебания посредством вращающихся в противоположные стороны дебалансов. Дебалансы, или эксцентрично расположенные грузы, закреплены на двух валах, один из которых соединен с электродвигателем клиноременной передачей.

Вибромолот представляет собой вибратор, в колебательную систему которого введен ограничитель колебаний, состоящий из бойка и наковальни. Наковальня воспринимает односторонние удары со стороны вибратора и предает их на буровой снаряд, с которым она соединена жестко.

Эффективность вибрационного бурения зависит от массы вибропогружателя, момента эксцентриков, частоты и амплитуды колебаний. По мере увеличения глубины скважины возрастает масса инструмента и увеличивается его упругость, вследствие чего снижается амплитуды колебаний породоразрушающего инструмента. Поэтому эффективная глубина бурения поверхностными вибраторами не превышает 25-30 м.

Вибрационное бурение может осуществляться как посредством поверхностных, так и погружных вибромеханизмов.

Погружной вибромеханизм находится непосредственно над породоразрушающим инструментом и опускается в скважину по мере ее углубления. С помощью погружных вибромеханизмов возможно бурение более глубоких скважин, чем при использовании поверхностных вибраторов.

Погружной вибромеханизм опускается в скважину на кабеле-канате, что ускоряет спуско-подъемные операции и исключает применение бурильных труб.

При вибрационном бурении в качестве породоразрушаюго инструмента применяют виброзонды, грунтоносы и виброжелонки. Тип породоразрушающего инструмента зависит от физико-механических свойств пород и целевого назначения скважины.

Виброзонд применяется для бурения сухих песков и связных глинистых пород. Он представляет собой тонкостенную цельнотянутую трубу длиной 1,5-3,0 м с заостренным башмаком и продольной прорезью (окном) на боковой поверхности. Прорезь служит для осмотра поднятой из скважины породы и очистки зонда от породы.

Грунтоносы служат для отбора проб (образцов породы) с ненарушенной структурой. Грунтонос состоит из разъемной трубы, внутреннего разъемного вкладыша, башмака, переходника и клапана. При извлечении грунтоноса из скважины образец породы удерживается в гильзе благодаря вакууму, создаваемому клапаном.

Виброжелонка применяется для бурения пород с повышенной влажностью и слабосвязных пород. Для удержания породы в желонке имеется нижний клапан.

В неустойчивых породах скважину закрепляют обсадными трубами, погружая их на грунт вибратором. Извлекают породу из труб желонками или грунтоносами.

В качестве бурильных труб применяют тонкостенные трубы увеличенного диаметра. Бурение скважин глубиной до 5-6 м по мягким породам, свободно входящим в грунтонос без пробок, производят одним рейсом на всю глубину скважины.

При бурении более глубоких скважин бурение ведется повторяющимися рейсами. Величина рейсовой проходки зависит от плотности пород и составляет 0,3-3 м. Производительность вибробурения при глубине скважин до 10 м достигает 50-60 м/смену, при глубине 20 м - 25 м/смену, при глубине 30 м - 20 м/смену.

В настоящее время создано большое число вибраторов и вибромолотов для бурения скважин или погружения и извлечения обсадных труб.

При бурении скважин вибрационным методом используют специализированные буровые установки, в состав которых входят: вибратор или вибромолот, мачта, лебедка, двигатель и источник электроэнергии, размещенные на транспортной базе, а также комплект инструмента.

Установка АВБ-2 М предназначена для бурения инженерно-геолгрческих скважин диаметром 108-168 мм вибрационным способом на глубину до 20 м. Установка имеет однотрубчатую мачту высотой 7,5 м и планетарную лебедку грузоподъемностью 4 т. Установка смонтирована на автомашине ГАЗ-66. Масса установки с принадлежностями 6,5 т.

Техника безопасности:

1. Соединение вибратора с крюком подъемного устройства должно быть оборудовано надежно запирающим устройством.

2. Во время осмотра и смазки, а также при перемещении виброустановки вибратор должен находиться в крайнем нижнем положении.

3. Перед пуском вибратора и через каждые полчаса работы необходимо проверять прочность соединения его частей.

4. При работе вибратора запрещается стоять в плоскости вращения его эксцентриков.

Бурение скважин методом задавливания

Скоростное бурение неглубоких поисковых скважин в мягких породах с целью каротажа и отбора проб производят задавливанием бурового снаряда путем создания большой нагрузки.

Проходка скважин посредством задавливания инструмента в породу имеет сравнительно ограниченное применение. Этот метод позволяет бурить скважины диаметром 50-168 мм глубиной до 30 м.

Бурение задавливанием применяется при поисках месторождений полезных ископаемых, гидрогеологических исследованиях, инженерно-геологических изысканиях и других видах геологических работ.

Для скоростного бурения неглубоких скважин в рыхлых породах применяется самоходная установка глубинного поиска СУГП-10, смонтированная на гусеничном шасси. Установка работает по принципу статического задавливания инструмента в породу. Гильзу со специальной геофизической аппаратурой задавливают гидравлическим цилиндром двухстороннего действия. На конце гильзы привернут пробоотборник для взятия образцов породы, газа и воды. Максимальная глубина бурения 24 м, диаметр гильзы 62 мм. Производительность установки СУГП-10 - до 35 скважин глубиной 10 м за одну смену.

Лекция 3