Колонковое бурение скважин краткое описание

Сущность колонкового бурения заключается в следующем, кольцевая коронка l, в нижний рабочий торец которой надлежащим образом вставлены резцы из твердых сплавов или в исключительных случаях алмазы, при помощи резьбы присоединяется к трубе 2, называемой колонковой.

Последняя посредством перехода 3 соединяется с пустотелыми штангами 4, которые по мере углубления скважины постоянно наращиваются. Верхняя штанга на поверхности зажимается во вращателе бурового станка, посредством которого весь гарнитур при соответственном давлении на забой скважины приводится во вращение.

При дробовом бурении (рис. 2) дробовая стальная коронка 1 имеет гладкий ровный нижний торец, под который периодически в надлежащем количестве засыпается закаленная буровая чугунная или стальная дробь. При вращении с соответствующим давлением коронкой выбуривается кольцевое пространство, внутри которого остается нетронутый столбик породы 2, называемый керном, входящий по мере углубления в колонковую трубу. Во все время бурения через пустотелые штанги в скважину подается глинистый раствор или вода, охлаждающая рабочий торец коронки и выносящая на поверхность выбуренную породу, называемую шламом. Количество промывной жидкости, а следовательно и производительность насоса подбирается в зависимости от площади кольцевого зазора между стенками скважины и штангами.

При больших диаметрах скважины и значительной разнице в диаметрах штанги и скважины для улавливания тяжелых частиц, осаждающихся на колонковый снаряд, ставится выше колонковой трубы открытая кверху штампованная труба 3 (рис. 2).

При дробовом бурении, когда промывка во избежание вымывания дроби из-под торца коронки сильно ограничивается, применение шламовых труб обязательно. Для отрыва керна и последующего его извлечения на поверхность между колонковой трубой и коронкой при бурении твердыми оплавами нередко включается кернорватель — рвательный корпус с рвательной пружиной.

Стальная рвательная пружина при всяком подъеме снаряда стремится занять нижнее положение в рвательном корпусе и благодаря внутренней конической расточке в последнем сжимается, крепко захватывает керн и срывает его.

При дробовом бурении кернорвателем не пользуются, и керн срывается посредством заклинки, представляющей битый камень пли стекло. Размер зерен для заклинки подбирается т. о., чтобы они свободно проходили сквозь отверстия ниппелей и в зазоре между керном и колонковой трубой, но обязательно заклинивались в суженном зазоре между керном и внутренними стенками коронки (рис. 2). При бурении твердыми сплавами с расхаживанием керн также срывается заклинкой. После срыва керна штанги и колонковый набор поднимаются на поверхность, керн извлекается из колонковой трубы, коронка, если необходимо, заменяется или заправляется, после чего весь гарнитур опять собирается, спускается в скважину, и бурение продолжается.

Для удобства и быстроты работы колонковое бурение осуществляется всегда на специальных станках. Каждый станок (рис. 3) имеет следующие основные части: подъемное приспособление 1 (лебедка) служит для спуска и подъема инструмента. Лебедка приводится от главного горизонтального вала станка посредством зубчатой или фрикционной передачи.

Вращатель 2, в котором зажата верхняя штанга для передачи вращения всему буровому снаряду, состоит из пары конических или винтовых шестерен и пустотелого шпинделя, в котором зажимается бурильная штанга.

Приспособление для регулирования давления на забой 3 позволяет бурить с желательным давлением на забой независимо от глубины скважины. В зависимости от конструкции последнего приспособления всё колонковые станки разбиваются на три основных типа: станки с рычажной, гидравлической и с дифференциальной подачей.

При рычажной подаче (рис. 4) круговое движение рычага 1 передается шестерне 2 и приводит зацепленную с последней кремальеру 3 в прямолинейное движение. Кремальера охватывает пустотелый шпиндель 4, в котором закреплена бурильная штанга. При указанном на рис. 4 положении рычага происходит разгрузка веса штанг, что производится всегда, когда глубина скважины значительна и вес штанг велик.

Сила нажима или разгрузки в кг равняется произведению давления жидкости в цилиндре в кг /см2 на площадь поршня в см2. Давление в гидравлическом цилиндре поддерживается бурильщиком в зависимости от веса бурильных штанг, диаметра и вида бурового наконечника.

Давление регистрируется специальным манометром. При дифференциальной подаче (рис. 6, где а — винтовой шпиндель, f и i — зубчатки, l — вал, о — диск, m — гайка, g и h — шестерни, b — втулка, d и е — подшипники) скорость поступательного движения коронки зависит от разности числа оборотов податочной гайки и винтового пустотелого шпинделя, вращающихся в одну сторону; чем более разница в числе оборотов, тем быстрее подача шпинделя.

Для удобства производства операций спуска и подъема, а также для защиты от атмосферных влияний колонковые буровые станки, так же как и другие буровые станки, устанавливаются в буровой вышке.

Этапы процесса

Проходка скважин.

Проходка скважин колонковым способом осуществляется с промывкой для удаления бурового шлама или без нее. В первом случае в состав оборудования установки включается насос высокого давления, что усложняет технологический процесс, но делает его более эффективным.

Бурение состоит из следующих этапов:

1. Подготовка площадки под размещение станка. Место забуривания очищают от мусора и посторонних предметов, выравнивают поверхность до горизонтального состояния.
2. Проходка шурфа для раствора и отвода потока жидкости. Яма располагается поблизости от будущей скважины и выкапывается на глубину ≥2 м. В тех же целях используют сварные баки или другие емкости.
3. Монтаж буровой установки, ее оснастка и сборка инструмента. Верхняя труба закрепляется во вращателе станка.
4. Бурение. Снаряд проникает в грунт за счет вращения и осевого давления, передаваемого на армированный торец коронки. Одновременно на забой скважины нагнетается вода или промывочный раствор.
5. Разгрузка керноприемника. В зависимости от применяемой технологии, действие выполняется с извлечением буровой колонны или без этой операции, если оснастка установки предполагает работу со съемным керноприемником. Извлекают породу из трубы, помогая высвобождению образца легкими постукиваниями молотка по корпусу цилиндра.
6. Возврат колонны или носителя керна в скважину и продолжение бурения с чередованием операций до достижения проектной глубины выработки.

Состав промывочной жидкости зависит от многих факторов, основные из них — тип применяемой коронки и состояние пересекаемых слоев породы. При алмазном бурении используют специальную эмульсию, в других случаях — глинистый раствор. Пересекая песчаный грунт, для укрепления стенок выработки в раствор добавляют жидкое стекло.

Замена мокрому удалению бурового шлама — выдувание его из скважины при помощи сжатого воздуха, подаваемого на забой выработки. Участки с неустойчивыми породами проходятся с применением обсадных труб.

Инструкция по установке скважины

Бурение скважин самостоятельно требует усилий и труда. Инструкция по бурению скважин:

• Вы должны выбрать подходящее место. Желательно по ближе к дому. Также, место должно иметь хотя бы 4 метра в длину и ширину, дабы вам было удобно провести работу.
• Выбираем необходимый инструмент для бурения, к таким относятся: бур-долото, бур-ложка, шнек, ударно-канатная конструкция. Приступаем к работе, пробуриваем скважину, используя вышеописанные методы.
• Установка труб и насосов. Засыпаем дно скважины песком или мелкой щебёнкой. Оно должно быть очищено желонкой. Готовим первую трубу заранее, ибо опускать её придётся сразу после завершения бурения, иначе стенки шурфа рассыпятся. Высверливаем отверстия в нижней части трубы, примерно на высоту 15-ти сантиметров о края. Это помогает ей «впитать» больше воды. На торец прикрепляется сетка фильтрации.
• Одного колена сто процентов не хватит, его длина достигает 2 – 2,5 метров. Монтаж и обслуживание, станет трудным с трубами больших размеров. Поэтому, они свинчиваются и соединяются по резьбе. Нижняя должна упираться в самый низ шурфа. После монтажа труб во внутрь их опустите насос.
• Монтаж кессона и оборудования. Оголовок скважины должен быть обязательно укрытым, утеплённым. В кессоне вы ставите оборудование уже на своё усмотрение. На практике всё монтируем в камере, что более компактно, упрощённо в обслуживание и ремонте.

Технические требования

Буровые вышки состоят из копра и откоса и должны отвечать следующим техническим требованиям:

1. быть достаточно прочными для восприятия напряжений от максимальных нагрузок и ветровых усилий;
2. быстро и просто собираться и разбираться с минимальной потерей материала;
3. быть достаточно высокими в зависимости от глубины;
4. быть достаточных размеров для удобного размещения и обслуживания механизмов;
5. в зимний период быть в должной мере утепленными.

Схема буровой вышки для разведочного вертикального колонкового бурения дана на рис. 7, где 1 — габарит двигателя, 2 — габарит насоса, 3 — габарит станка.

Вышки строятся как бревенчатые, так и дощатые и трубчатые. При наклонном бурении скважины обычно пользуются треногими копрами.

Преимущества колонкового бурения заключаются в следующем:

1. извлекается на поверхность столбик пробуренной породы в естественном состоянии. По столбику породы (керну) можно судить о минералогия, составе и структуре пройденных пород и об условии их залегания. При других способах пробуренная порода извлекается в измельченном состоянии.
2. имеется возможность бурить скважины под различными углами к горизонту (рис. 8). При других способах проходка наклонных скважин более затруднительна или совсем невозможна.
3. в первую очередь алмазное позволяет пробуривать самые крепкие породы.
4. позволяет бурить глубокие скважины малыми диаметрами и легким оборудованием, что важно при разведке в отдельных и высокогорных местах.

Наиболее глубокие в мире скважины в крепких породах пробурены колонковым и именно алмазным способом.

Основные понятия и особенности

Для разведки самым эффективным способом в 21 веке остается именно такое бурение скважин, технология которого предусматривает не дробление и извлечение породы, а сохранение ее в первозданном виде. Достигается это при помощи специальных насадок, которые производят резку лишь по периметру, тогда как в центре все остается нетронутым.

Максимальный диаметр – 160 мм, но чаще всего используются меньшие варианты, т.к. это позволяет проходить сквозь породу гораздо быстрее. Массивные более удобны в случаях, когда предстоит работать с пластами твердых пород, которые могут изогнуть или вовсе сломать небольшие коронки. При работе используются алмазные или твердосплавные коронки, т.к. все остальные варианты неспособны выдержать подобной нагрузки.

Традиционно используются различные методы буровых работ.

Технология колонкового бурения с промывкой: 1- насос для бурения; 2- шланг для нагнетания воды; 3- сальник; 4- колонна бурового инструмента; 5- переходник; 6- колонковая труба; 7- коронка; 8- желоба; 9- отстойник; 10- бак для промывочной жидкости

На сухую бурится достаточно часто, т.к. далеко не всегда есть возможность запасти необходимый объем воды и поддерживать его в надлежащем состоянии. Данный вариант медленный, причем достаточно дорогой, т.к. шанс на слом у коронки значительно повышается.

Бурение скважин с промывкой более надежно и позволяет продвигаться гораздо быстрее. Такой вариант весьма удобен в тех случаях, когда нужно сделать очень глубокие колодцы, причем начальный этап деятельности не интересует.

Извлеченный керн находится ровно в таком состоянии, как до этого находился под землей, благодаря чему можно осуществлять изучение материала на любой глубине. Поднимается вверх он 2-мя способами:

1. Труба извлекается наружу, и из нее выбивается порода. Удобно на небольшой глубине, т.к. не потребуется присутствия дополнительной сложной техники.
2. По специальной трубе-подъемнику керн выходит на поверхность. Другого варианта быстро извлечь породу с глубины в 1000 м не существует.

Виды скважин, их плюсы и минусы

Все скважины делятся на 3 типа: абиссинский колодец (игла), фильтровая и артезианская.

Абиссинский колодец

Эта конструкция — скважина-игла, она может иметь глубину от 4 до 12 метров. Несмотря на название, включающее слово «колодец», ее отличие от него существенно. Для ее сооружения используют трубы небольшого диаметра. Первый элемент, являющийся фильтром, снабжают острым наконечником, затем забивают в землю, наращивая следующие отрезки. Нередко применяют шнековое бурение. Чтобы поднимать воду на поверхность, используют насос. Средняя производительность иглы составляет 1 м3/ч.

Главное достоинство этой конструкции — возможность сооружения ее в любом месте. Например, для многих идеалом становится скважина в доме, в подвале. Другие плюсы этого способа:

• простота конструкции, она дает возможность справиться с работой самостоятельно, причем даже за день;
• независимость от электричества, если используется ручной насос;
• небольшие траты, поскольку комплектующие доступны;
• относительно легкий монтаж, простой демонтаж;
• неплохой дебит (производительность).

Минусы:

• неудовлетворительное качество воды;
• невозможность сооружения, если грунт твердый.

При постоянном использовании игла способна функционировать без проблем около 10 лет. Если забор воды будет осуществляться в определенные сезоны, то игле грозит заиливание. Источник потребует чистки.

Фильтрующая скважина

Ее еще называют скважиной на песок. В этом случае глубина гораздо больше — 15-50 м. Фильтровая скважина включает обсадную трубу с оголовком, придонный фильтр, оборудованный в нижней части колонны, и насоса. На участках с мягким грунтом, используют шнековое бурение, в других случаях применяют роторные буровые установки. Ее производительность больше — уже 1,5-4 м3/ч.

Достоинства:

• более долгий срок службы;
• хорошее качество воды;
• отличный дебит.

Недостатки:

• сложность обслуживания;
• большие траты на сооружение;
• обязательное разрешение на проведение работ;
• повышенная минерализация, требующая фильтрации воды.

Фильтрующая скважина прослужит дольше абиссинской: ее минимальный срок эксплуатации — 15 лет. В большинстве случаев, из-за сложности работ, для бурения таких скважин нанимают подрядчика.

Артезианский источник

Это самый дорогой вариант из-за глубины залегания водоносной жилы: она находится между слоями горных пород (чаще это известняк), расположенных в 70-100 м от поверхности. Конструкция аналогична предыдущей скважине, однако для нее необходим мощный погружной насос. Самый большой плюс источника — характеристики воды. Производительность артезианской скважины — более 3 (5) м3/ч.

Преимущества:

• вода идеального качества;
• большой ее объем в любое время;
• длительный срок эксплуатации источника;
• автономность, не требующая серьезного обслуживания.

Слабые стороны:

• невозможность добывать воду вручную;
• обязательное лицензирование источника;
• бурение, которое проводят только специалисты;
• большие траты на сооружение артезианского источника;
• необходимость максимально мощного насосного оборудования.

Виды буровых способов

Ранее бурение водоносных скважин для личного пользования осуществлялось в основном ручным способом. Это было трудоёмкий и длительный процесс, поэтому не каждый владелец участка или дачи мог похвастаться наличием собственного источника водоснабжения. Постепенно механизированное бурение вытеснило ручные методы благодаря значительному облегчению и ускорению процесса.

Сегодня практически все водоносные скважины бурятся механизированным способом, который основан на разрушении грунта, подаче его на поверхность одним из двух способов: сухим, когда отработанный грунт убирается из скважины при помощи механизмов и гидравлическим, когда он вымывается водой, поданной под напором или самотёком.

Различают три основных способа механического бурения:

• Вращательный (грунт разрабатывается вращением).
• Ударный (бурснаряд разрушает грунт ударами).
• Вибрационный (грунт разрабатывается высокочастотными колебаниями).

Вращательный способ считается самым высокопроизводительным, в 3-5 раз превышающий по эффективности ударный и в 5-10 вибрационный. Кроме этого вращательный способ самый недорогой и доступный, его нередко применяют в качестве основного метода ручного бурения.

В свою очередь вращательный способ бурения, широко применяемый для сооружения скважин на воду, подразделяется на три основных вида бурения:

Каждый вид вращательного бурения имеет свои особенности и выполняется специально предназначенным для этого оборудованием. Рассмотрим эти виды бурения более подробно, определим, в чём их различия и какой метод необходимо применять в каждом конкретном случае.

Характеристика роторного бурения

Роторное бурение — метод вращательного бурения, при котором разрушение грунта осуществляется при помощи долота, приводимого в движение в забое скважины от ротора буровой установки. Ротор вращается от двигателя автомобиля или отдельно установленного электродвигателя посредством приводного вала. Разработанный грунт вымывается из шахты скважины методом прямой или обратной промывки. Промывочный раствор может подаваться как самотёком, так и насосной станцией.

Большинство артезианских скважин буриться с использованием метода роторного бурения: при помощи бурильного долота, вращаемого ротором, с последующей промывкой скважины и креплением обсадных труб

Роторное бурение применяется для разработки скальных и полускальных грунтов при устройстве глубоких скважин до 150 м. Роторная буровая установка с правильно подобранным долотом и утяжеленными бурильными трубами отлично справляется со скальными породами.

Специалисты-буровики рекомендуют использовать этот метод бурения при соблюдении следующих условий:

1. Гидрогеологический разрез участка изучен достаточно хорошо. Известно, что бурить предстоит скальные породы. Известен уровень залегания водоносной зоны в коренных породах.
2. Подземная вода обладает характерным для артезианских скважин напором
3. Имеется возможность бесперебойной доставки технической воды для промывки скважины.

В южных районах роторное бурение можно производить круглый год, а в северном климате применение этого способа ограничено из-за возможности замерзания промывочной жидкости.

Применяемое оборудование и инструменты

Роторное бурение водоносных скважин осуществляется с применением рамной или решётчатой вышки, на которой расположено подъёмное оборудование и остальные элементы буровой установки. Вышка даёт возможность поднимать и опускать в скважину бурильные колонны.

В состав буровой установки роторного типа входит:

• рамная или решётчатая вышка;
• двигатель с приводом;
• ротор и бурильная колонна;
• насосное оборудование и система очистки промывочной жидкости;
• подъёмное оборудование, напорная магистраль, вертлюг, сальники и т.д.

В самоходных установках в качестве двигателя используется ДВС автомобиля, на базе которого размещен буровой комплекс. В данном случае мощностью двигателя регулируются обороты бурового инструмента.

В качестве источника энергии для роторной буровой установки может выступать стационарный или мобильный электродвигатель, ДВС автомобиля, генераторы

Ротор при помощи зубчатого устройства передаёт вращение на ведущую трубу, которая в свою очередь сообщает его на основной бурильный инструмент — долото. Долото может иметь различную форму и изготавливается из высокопрочных материалов: композиты, сталь с алмазным напылением и др. Для каждого типа грунта подбирается особый размер и форма долота, обеспечивая тем самым высокую эффективность и скорость проходки.

Шнек — наиболее подходящий бур для ручного бурения. Ручным станком со шнековым снарядом можно пройти скважину до 10 -12 Шнек поступательными движениями завинчивается в грунт, отвал выносится на лопастях снаряда. Одновременно с проходкой устанавливается обсада

Для наращивания высоты буровой колонны применяются штанги, соединяемые друг с другом резьбовыми муфтами

Обсадку подбирают в зависимости от диаметра шнека. Вручную обычно бурят узким буром, в который устанавливается колонна ВГП труб. Для откачки используют ручной или электрический поверхностный насосСтанок для ручного буренияТехнология шнекового буренияШтанги для наращивания буровой колонныОбустройство пробуренной скважины

Своеобразие роторной технологии

Роторное бурение скважин на воду осуществляется в три этапа:

1. Разрушение породы при помощи долота.
2. Вынос разрушенной породы на поверхность потоком нагнетаемой воды.
3. Укрепление стенок скважины обсадными трубами.

Вынос разрушенного грунта производится путём обратной или прямой промывки. Выбор способа промывки зависит от конкретных условий: глубины скважины, типа грунтов, наличия необходимого объёма промывочной воды. Как правило, в частных хозяйствах используется технология бурения с прямой промывкой, которая включает в себя следующие этапы:

• заглубление в грунт долота большого диаметра;
• вращение долота под воздействием ротора;
• установка бурильных труб и монтаж утяжелённых труб между ними и долотом;
• удаление отработанного грунта напором жидкости при помощи насоса;
• монтаж обсадной трубы, чтобы предотвратить обсыпание грунта внутри скважины;
• бурение долотом меньшего диаметра и повторение всего цикла.

При обратной промывке грунт выносится из скважины по трубам бурильной колонны, а промывочная жидкость заливается между стенками скважины и трубами.

Вода самотёком поступает в предварительно подготовленный резервуар, где происходит её очистка от грунта и шлама, и возвращается в бурильную колонну за новой порцией отработанной породы.

В некоторых случаях при осуществлении роторного бурения применяют не прямую или обратную промывку, а продувку воздухом под давлением, созданным при помощи компрессора

Достоинства и недостатки роторного бурения

Главным достоинством роторного способа является возможность бурить глубокие скважины с забором воды в трещиноватом известняке. Кроме этого данный метод бурения имеет следующие преимущества:

• высокое качество вскрытия водоноса в коренных скальных породах;
• возможность устройства скважины большого диаметра до 200 см;
• высокая скорость бурения, небольшие затраты энергоресурсов.

Существенным недостатком роторного бурения можно назвать необходимость организации промывки скважины.

Недостатки колонкового бурения

Основными недостатками колонкового бурения являются:

1. малый выход столбика породы — «керна» при проходке мягких и неравномерных по твердости пород. Особенно сильно отрицательное влияние этого факта при пробуривании толщи полезного ископаемого;
2. довольно частые и сильные искривления скважин;
3. высокая стоимость алмазов, их хрупкость;
4. невозможность успешного бурения твердыми сплавами по породам с коэфециентом крепости более 8.

Почти все эти недостатки при правильном ведении работ могут быть устранены. Так, применение двойных колонковых труб и правильная заправка резцов в коронку сильно повышают выход керна. Производство кароттажа позволяет отбивать контакты пород с точностью до нескольких см. Бурение длинным колонковым снарядом с применением стабилизаторов и протекторов и соразмерное давление на забой при частом контрольном измерении наклона скважины предупреждают искривления. Умелое применение соответствующего оборудования снижает аварийность.

Указанные выше преимущества колонкового бурения способствовали чрезвычайному распространению его на разведочных работах. Разведка угольных месторождений, железных руд и большинства полезных ископаемых, залегающих в виде жил, осуществляется в значительной степени посредством колонкового бурения. Разведка круто падающих жильных месторождений на глубину вообще немыслима без бурения наклонных колонковых скважин.

Сложность работ по строительству и обслуживанию

Колодцы

Ключевой источник расположен на поверхности земли, и это осложняет обустройство вокруг него качественного резервуара. Формирование герметичной емкости для сбора воды происходит за пределами ручья, затем канал удлиняют, меняя русло. Сложно узнать количество поступающей из недр жидкости и правильно рассчитать емкость так, чтобы она не застаивалась, а постоянно циркулировала.

Шахтный источник имеет диаметр от 800 см до 2 м. Самый простой способ – выкопать его вручную. Это позволит сэкономить на аренде техники, но потребует от рабочих серьезных трудовых подвигов. Еще одной проблемой может стать появление воды на уровне в 10–20 м, ее придется выкачивать глубинным или дренажным насосом, так как монтаж стенок шахты выполняется насухую. Во время проведения земляных работ вокруг скапливается большое количество грунта, его придется вывозить или разравнивать. Чистить шахту и стенки тоже необходимо, эту процедуру проделывают один раз в три года.

Абиссинский колодец – достаточно своеобразный способ обеспечить водой дачный участок или частный дом. Основным принципом установки стержневой шахты является метод заколачивания трубы в землю. На конце стержня твердая заостренная головка, а сама она полая и изготовлена из толстостенного металла. Сложность заключается в том, чтобы забить ствол на необходимую глубину.

Скважины

На песок глубиной до 50 м может буриться разными буровыми установками. Силовые агрегаты на базе высокопроходимых грузовых машин требуют определенных условий для производства работ. Решение проблемы – малогабаритные буровые установки без какой-либо тяжелой техники. Перед началом работы придется провести геологические процедуры поиска места для бурения.

Артезианская скважина – самый сложный и дорогой источник. Водный горизонт на известняковом грунте располагается на глубине от 50 до 100 м. Бурить шахту сможет только мощная установка с буром алмазного напыления. Артезианская скважина может обойтись хозяевам участка в сумму до 3 тысяч рублей за один метр. Следует помнить, что за артезианку придется платить налог за пользование недрами.

Оборудование для проходки и обустройства скважин

При реализации колонкового бурения необходимо оборудование, позволяющее производить работы на глубине, разрабатывать и извлекать самые различные типы горных пород. При производстве работ должен обеспечиваться периодический подъем на поверхность разрушенного снарядом материала.

Стандартный набор бурового инструмента

Для качественного выполнения работ требуется:

• Колонковые снаряды. Применяются как для горизонтального бурения, так и для проходки вертикальных выработок. С помощью стандартных колонковых труб возможно проведение бурения под углом до 45 градусов. Тонкостенные колонковые снаряды могут быть использованы исключительно лишь для горизонтального бестраншейного бурения при прокладке коммуникаций.
• Коронки. Это разрушающий породу инструмент, которым оснащается колонковая труба для облегчения вырезки керна в горной породе. Для бурения осадочных связных и несвязных грунтов применяются латунные коронки. Для проходки скальных пород, формирования отверстий в бетоне, асфальте, кирпичной стене выпускают твердосплавные коронки с алмазными резцами.
• Стальные обсадные трубы. Необходимы для обсаживания выработки – формирования ствола скважины, производимого одновременно с ее заглублением. Их диаметр равен диаметру скважины. Обсадку для водозабора подбирают заранее, ориентируясь на диаметр колонковой трубы и насоса, который планируется эксплуатировать в скважине.
• Штанги. Это скручиваемые между собой узкие трубы. Используются для наращивания буровой колонны. Проще говоря, они поочередно привинчиваются к вершине колонковой трубы, чтобы ей можно было передать вращательное движение на глубине, превышающей высоту снаряда. Высота колонковой трубы + высота колонны буровых штанг = глубина выработки.
• Переводники. Необходимы для обеспечения стыковки резьбовых соединений различающегося диаметра, которые присутствуют на буровых штангах, вращателях, промывочных сальниках и других комплектующих.
• Промывочные пробки и сальники. С их помощью обеспечивается подъем на поверхность разрушенного грунта, если нет необходимости в отборе цельного керна. В этом случае на забой подается вода, вымывающая под напором разрушенный грунт на дневную поверхность.
• Долота. Их используют с целью углубления отверстия скважины в наиболее трудных для прохождения колонкового бура местах. При применении долота иногда с вращательного бурения переходят на ударно-канатное.

Представленный инструмент является стандартным набором для проведения бурения по колонковой технологии. В отдельных случаях, в зависимости от сложности разработки, могут потребоваться дополнительные инструменты и оборудование.

При углублении выработки к верхушке колонковой трубы прикручивают последовательно колонну из буровых штанг. Для извлечения колонкового снаряда на поверхность колонну штанга за штангой раскручивают

Особенности конструкции колонковой трубы

Конструкционная особенность снаряда при колонковом бурении обусловлена максимальным сохранением целостности керна и заключается в кольцеобразном расположении вокруг свободного прохода. Одной из важнейших характеристик считается коэффициент керноотбора. Его определяют как отношение диаметра керна к наружному диаметру инструмента.

Инструмент для колонкового бурения стандартизирован, различается в основном только диаметром. По конструкционным признакам колонковые трубы классифицируют на одинарные и двойные. Одинарные снаряды, предназначеные для работы в обычных геологических условиях, отлично подходят для разработки водозаборных скважин.

Двойной инструмент с не вращающейся внутренней трубой применяют только в геологоразведке. Нужен он для извлечения образцов пород, которые легко разрушаются под воздействием самых разных факторов. Он позволяет отобрать пробу в естественном сложении, с природным процентным содержанием полезных ископаемых и пустой породы.

В отборе проб для инженерно-геологических исследований, в геологоразведке и бурении отверстий для установки опор ЛЭП применяется одинарная колонковая труба

Все колонковые трубы рассчитаны на применение продувки, подачи бурового раствора на забой и промывки скважины. Их верхушка оснащена технологическим отверстием, через которого производится нагнетание воды или струи воздуха.

Специфика режущей части снаряда

Любая коронка представлена в виде кольца с находящейся сверху резьбой, необходимой для прикручивания к колонковой трубе, и резцами, расположенными на нижнем торце. Резцы бывают цельнолитыми или приваренными к этой режущей металлической детали.

При колонковом бурении используют следующие коронки:

• Твердосплавные – мелкорезцовые, ребристые.
• Алмазные – импрегнированные и мелкоалмазные.

Твердосплавные режущие элементы предназначены для бурения “мягких” грунтов. С их помощью производится бурение всех видов глинистых пород любой консистенции, полускальных пород, маловлажных и влажных песков плотного сложения и средней плотности. Для проходки по песчаникам и мергелям берут коронки с вольфрам-кобальтовыми резцами.

Мелкорезцовые коронки предназначены для бурения средней твердости пород малой абразивности. Они оборудуются резцами восьмигранного либо квадратного сечения. При расположении резцов на различной высоте также достигается ступенчатость забоя, преимущества которой были изложены выше.

С помощью ребристых коронок обеспечивается улучшение циркуляции промывочной жидкости за счет расширения диаметра скважины

Ребристые коронки предназначены для бурения твердых пород средней абразивности. Резцы таких коронок состоят из стального цилиндрического либо призматического штабика с твердосплавной вставкой. При этом даже  в случае износа коронки не снижается эффективность ее работы.

Коронки с алмазными резцами предназначены для разбуривания скальных и полускальных пород высокой абразивности.

Для увеличения прочности и повышения абразивных свойств в ее литой массив в процессе производства впрессовываются технические алмазы. В последнее время природные кристаллы нередко меняют на искусственно выращенные

Число ребер определяется конструкцией коронки и ее диаметром – их может быть от трех до шести. Ускорения процесса разрушения породы можно добиться смещением вверх ребер относительно торца коронки. Таким образом, обеспечивается ступенчатый забой и облегчается прохождение промывочной жидкости.

Трубы для обсаживания ствола скважины

Как колонковые, так и обсадные стальные трубы производятся по ГОСТу 51682-2000. В геологоразведке и в инженерной геологии они используются для предотвращения обрушения грунта на забой, что не позволило бы понять, на какой глубине один геологический слой сменяется другим.

В обустройстве водозаборных выработок обсадные трубы формируют стенки скважины. В собранную из них обсадную колонну погружают еще одну, эксплуатационную, колонну труб. Сейчас ее чаще всего собирают из пластика. Эксплуатационную колонну снабжают фильтром для удерживания песчинок и мелкого гравия при откачке.

Наибольшее распространение получили обсадные трубы с ниппельным соединением. При этом трубы имеют с одной стороны внутреннюю резьбу, а с противоположной – наружную. Ствол выработки из труб с резьбой собирается предельно просто и быстро.

Как колонковые, так и обсадные трубы снабжаются резьбой, с одного торца внешней, с другого внутренней. Это позволяет быстро и просто собрать обсадную колонну. Размеры резьб унифицированы – любая обсадная труба может служить колонковой, достаточно прикрутить к ней коронку и верхушку

Есть обсадные трубы, предназначенные для сварных соединений. В частном секторе их не используют из-за трудоемкого процесса сборки колонны.

Как обсадные, так и колонковые трубы изготавливаются из стали марки 45 с группой прочности «К». Для повышения устойчивости к поверхностному износу концы труб закаливаются. В зависимости от используемого бурового оборудования и диаметра погружного насоса в устройстве частных водозаборных выработок используют трубы диаметром от 100 до 200 мм.

Сферы использования подобной технологии

Подъем керна.

Подъем скального материала с глубоких горизонтов — главная область применения способа.

С его помощью решаются следующие задачи:

1. Поиски и геологическая разведка. Подъем керна выполняется с целью описания строения продуктивных пластов твердых полезных ископаемых, нефти, воды, газа и вмещающих горных пород. Керновый столб отражает последовательность и мощность слоев, что необходимо для построения геологического разреза. Скважины используют и для проведения геофизических исследований.
2. Изыскания гидрогеологические. При инженерных работах имеет значение, на какой глубине залегают грунтовые воды. Скальные промежутки преодолеваются с отбором проб или бескерновым способом.
3. Строительство скважин на воду. Направлений использования 2: увидеть гидрогеологический разрез будущего водозабора и использовать пройденную выработку небольшого диаметра для последующего расширения шнековой установкой.
4. Возведение свайных фундаментов. Применение колонкового бурения обосновывается так же, как при строительстве водяных скважин.
5. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых. Для уточнения контуров рудного тела из подземных выработок осуществляется колонковая проходка разведочных скважин с отбором керна.
6. Устройство цилиндрических проходов в бетонных сооружениях и кирпичных конструкциях. При сверлении алмазной коронкой получают отверстия в перегородках и перекрытиях зданий, имеющие ровные стенки и заданный размер.
7. Проходка шурфов Ø 400-1500 мм при строительстве колодцев различного назначения. Строительство шахтных стволов диаметром ≥4 м.

Керновое бурение используется также при изучении многослойных ледников Антарктиды, для определения возраста старых деревьев по годовым кольцам.

Технологические особенности колонкового бурения

Частоту вращения можно регулировать в процессе работы. На мягком грунте достаточно небольших оборотов. Твердые породы требуют высокой частоты. Подача раствора и отвод потока жидкости проводится с помощью специальной техники. Колонковый метод обеспечивает возможность обработки пластов различной твердости и состава.

Если диаметр отверстия находится в пределах 1 м, то можно регулировать угол проходки. Колонковые трубы длиной 40-60 см используются повторно по прямому назначению. В процессе работы буровая коронка подвергается износу и требует замены.

Особенности колонкового бурение скважины на воду.

Перед запуском новой алмазной коронки дно скважины обрабатывают долотом. Это мероприятие продлевает срок эксплуатации инструмента. Буровая установка должна находиться на горизонтальной площадке.

Система монтируется на шасси автомобилей с большой грузоподъемностью. Для работы в условиях сложного рельефа используется гусеничная спецтехника. Бурение скважин на воду осуществляется с использованием мобильной техники.