Технологии сооружения скважин на воду

Бурение скважин на воду производится специализированными объединениями или строительными организациями в соответствии с действующими техническими нормами и правилами их проектирования и сооружения. Способ бурения определяют в зависимости от глубины залегания водоносного пласта, принятого в эксплуатацию, гидрогеологических и местных условий. В маловодных и безводных районах с ограниченными возможностями подвоза воды при наличии рыхлых, валунно-галечниковых, пол скальных и песчаных грунтов при глубинах скважин до 50-500 м экономически выгоднее не пользовать ударно-канатный способ бурения.

При таком способе бурения породу забоя разрушают ударами бурового снаряда, вес которого достигает 1,5 т. Разрушения грунта достигают многократным подъемом и сбрасыванием с высоты 0,5-1,0 м снаряда на забой с помощью бурового агрегата. Число ударов снаряда за минуту достигает 40-50. Разбуренную породу удаляют из забоя с помощью специальных желонок (полых труб с клапанами или без них), которые опускают многократно в скважину, подняв из нее предварительно ударную штангу и долото. Тип долот (зубильное, крестовое, двутавровое, округляющее) и тип желонок (с плоским клапаном, поршневая с ножом) подбирают в зависимости от твердости и вида породы. Этот способ позволяет опробовать все встречающиеся по разрезу водоносные горизонты, не требует воды и специального глинистого или иного бурового раствора. Им можно бурить скважины с начальным диаметром до 600-2000 мм. Однако скорость такого бурения невелика, зависит от твердости разбуриваемых пород, веса бурого снаряда, высоты его падения на забой, диаметра скважины, числа ударов в единицу времени и обычно колеблется в пределах от 1,6-5 м/ч.

Буровая установка БУГ-100М, разработанная в Гидропроекте, позволяет осуществлять ударное бурение в сочетании с вращением обсадной колонны. Вышка башенного типа позволяет использовать одно- и трехструнную талевую оснастку, поднимается и опускается с помощью лебедки станка.

На некоторых установках ударно-канатного типа зарубежного производства в каче­стве вородоразрушающего инструмента используются грейфер и специальные желонки (Супер ЭДФ-55 Беното, Франция) или долота и грейферы (20ТН и 50ТН, Япония). Последние из установок, изготавливаемые японской фирмой «Като», приспособлены для ударно-канатного и роторного бурения с прямой и обратной промывкой.

Для сооружения скважин большой глубины (0,2 км и более) в благоприятных гидрогеологических условиях при наличии поблизости воды и качественного состава глины и других промывочных растворов (или при экономически обоснованной доставке их из других районов) используют роторный способ бурения. Суть его состоит в разрушении пород инструментом, который вращается вокруг оси с одновременным созданием нагрузки за счёт веса бурового снаряда. Разбуренная порода непрерывно носится из скважины восходящим потоком рабочего глинистого или иного раствора который подастся по бурильным трубам грязевым насосом.

Схема ударно-канатного (а) и роторного (б) бурения

1 - буровой снаряд; 2 - скважина; 3 - канат; 4 - мачта с талевыми блоками; 5 - система ударно-подъемного ме­ханизма; 6 - лоток цир­куляционной системы; 7 - отстойник глинистого промывного раство­ра; 8 - кондуктор; 9 - ротор; 10 - вертлюг- сальник; 11 - грязевой насос.

Технические характеристики установок для ударно-канатного бурения

№	Показатели	Отечественного производства			Зарубежного производства
		УГБ-ЗУК	УГБ-4УК	БУГ- 100М	Супер ЭДФ-55 Беното (Франция)	20ТН (Япония)
1	Глубина бурения максимальная, м	300	500	100	100	30
2	Диаметр скважины максимальный, мм	600	900	500	1200	2000
3	Тип двигателя	Электрический		Дизельный
		АО-73-6	А0-93-08	Д-37
4	Мощность двигате­ля, кВт	20	40	29	137	48
5	Грузоподъемность барабанов	1,3-2,0	2,0-3,0		1,0-2,5
6	Высота мачты, м	12,25	16,0	11,35
7	Грузоподъемность мачты, т	12,0	16,0	10,0
К	Масса установки (станка), т	(7.6)	(16.3)	11,0	32	31
9	Габаритные размеры станка в рабочем положении, м	5,8x2,3*12,73	10,0x2,64x16,3		8,7x3,65x13.3	7,86x3,7x14,3
10	Способ транспорти­ровки бурового агрегата	Двухосный прицеп	Колесный прицеп	Подкатные оси ПО-6	Колесный прицеп

С увеличением глубины скважины буровой снаряд, поддерживаемый с помощью кантон и лебедки, опускается и постепенно наращивается новыми бурильными трубами. Преимуществом этого способа является его значительно большая скорость бурения по сравнению с ударно-канатным. Однако при таком способе происходит частичная кольматация водоносных пластов глинистым раствором, что приводит к сокращению их водоотдачи.

Функции породоразрушающих инструментов выполняют лопастные долота режуще-скалывающего и режуще-истирающего типа (используемые для разбуривания мягких и средней твердости пород) и шарошечные долота с двумя или тремя шарошками, дробящие и скалывающие твердые и абразивные породы.

Технические характеристики установок роторного бурения

№	Показатели	Марки установок
		1БА-15В	1БА-15В-ОП	УРБ-2А2	УРБ-ЗАМ-ОИ	1БА-15К
1	Глубина бурения, м	500	200	300	150	500
2	Диаметр скважины мак­симальный, мм	490	1200	200	1200	39
3	Мощность двигателя установки, кВт	77,2	77,2	54	39,7	79
4	Производительность бурового насоса, л/мин	360	360(1000)	300	390	360
5	Высота мачты (вышки), м	18	16	16	13,5	16
6	Грузоподъемность мачты, т	12	12	10	12	12,5
7	Масса установки, т	13,6	14,7	10,1	13,6	I4l0
8	Способ транспортировки	Шасси автомобиля

Технология бурения включает в себя процессы забуривания устья скважин при малой частоте вращения бурового снаряда и расходе промывочной жидкости до 1,5 л/с; монтаж направляющей трубы к ее центру; непосредственно проходку ствола скважины до забоя с соблюдением оптимальных осевых нагрузок на породоразрушающий инстру­мент, частоты вращения бурового снаряда, расходов промывочных жидкостей под необ­ходимым напором; выполнение спуско-подъемных операций и крепление стенок скважины.

При роторном способе бурения с прямой промывкой глинистыми растворами удельный дебит скважин снижается из-за частичного заполнения порового пространства прифильтровой зоны раствором. При сооружении скважин большого дна метра таким способом сложно достичь требуемых режимов бурения и вскрытия водо­носных пластов. В связи с этим все более широкое применение находит бурение с обратной промывкой.

Преимуществом способа бурения с обратной промывкой является увеличение в 15 раз скорости бурения в аналогичных геологических и гидрогеологических условиях по сравнению с прямой промывкой, возможность сооружения скважин с конечным диаметром до 1,5 м, предотвращение глинизации водоносных горизонтом в результате замены глинистого раствора на обычную иоду,

При таком способе бурении вода из отстойника поступает самотеком по кольцевому пространству, образуемому бурильной колон­кой и стенками скважины, в забой, захватыва­ет разбуренную породу и через отверстия в долоте транспортирует ее в шламовое отделе­ние отстойника на поверхности земли. Подъ­ем разбуренной породы на поверхность осу­ществляется за счет создания вакуума в рабо­чей трубе или с помощью эрлифта.

Для сооружения скважин диаметром 60 - 400 мм в мягких породах на глубину до 50 - 80 м в отдельных случаях применяют шнековое бурение.

Для сооружения скважин с обратной промывкой используют переоборудованные станки для роторного бурения, а также специальные установки для геологического, ударно-канатного и шнекового бурения. Из зарубеж­ных установок для бурения с обратной про­мывкой наиболее известными являются не­мецкие установки SW-200, L-2,10, PS-150; K2/S-100, K6/S-250, румынская FA-12.

Схема роторного бурения с обратной промывкой

а - с использованием вакуум-насосов, б - с использованием эрлифта; 1 - долото; 2 - 6урильная труба; 3 - воздушная труба; 4 - сливной рукав; 5 - вакуумный насос; 6 - вакуумный бак; 7 - центробежный насос, 8 - отстойник.

Схемы колонкового (а) и шнекового (б) бурения

1 - привод; 2 - фрагмент мачты; 3 - вращатель; 4 - буровой снаряд; 5 - канат; 6 - вертлюг-сальник; 7 - лебедка; 8 - эле­менты приготовления, транс­-портировки и отстоя глинистого раствора.

При таком способе бурения порода разрушается с помощью лопастных, шарошечных и колонковых долот, а транспортируется на поверхность шнеком. Наибольшее распространение получила установка дли шнеконого УГБ-1ВС, позволяющая сооружать скважины глубиной до 50 м с начальным диаметром до 250 мм.

Технические характеристики установок для колонкового и шнекового бурения

№ п/п	Показатели	Установки колонкового бурения		Установки шнекового бурения
		ЗИФ 650А	ЗИФ I200A	УГБ-1ВС	УШБ-16	УШВМ-16-ОП
1	Глубина бурения, м	650	1200	50	80	100
2	Диаметр скважины максимальный, мм	200	250	250	150	1200
3	Мощность двигателя, кВт	28	40	38	77	77
4	Категория твердости разбуриваемых пород	IV-X	IV-X	I-IV	I-IV	I-IV
5	Грузоподъемность, т	3,0	4,5		15	15
6	Высота мачты (выш­ки), м	12	12	8	11	11
7	Масса установки (аг­регата бурового), т	(1,1)	(6,64)	(5,1)	7,9	11
8	Угол бурения	90-75	90 95	90	90	90

Для сооружения скважин на воду в скальных породах с диаметром до 300 мм и глубиной до 500 м, а также в тех случаях, когда необходимо получить данные для опреде­ления геологического разреза при разведывательном бурения, применяют колонковый способ бурения.

Отличительной особенностью буровых инструментов для колонкового бурении является конструкция специальных алмазных, твердосплавных, дробовых колонок, разрушающих при вращении бурового снаряда породу по кольцевой канавке и оставляющих при этом неразрушенный столбик породы (керн), входящий по мере заглубления бурового снаряда в колонковую трубу . Керн подрывают специальным инструментом кернорвателем и извлекают на поверхность земли вместе с буровым снарядом.

В процессе бурения стенки скважин закрепляют колонной стальных, а при небольших глубинах (до 50 м) - чугунных или асбестоцементных труб.

В практике бурении скважин роторным или колонковым способами затрубное пространство (зазор между стенками скважины и обсадными трубами) цементируют. Существуют несколько способов цементирования. Наиболее распространенным является способ с двумя пробками.

После промывки и установки нижней пробки проводят закачку необходимого объема цементного раствора и устанавливают верхнюю пробку. Затем осуществляют продавливание цементного раствора в затрубное пространство. После того как верхним пробка дойдет до конца «стоп», давление на манометре резко повышается, что служит окончанием цементации. В качестве продавочной жидкости обычно используют глинистый раствор. При цементировании учитывается количество закачиваемой прокачиваемой жидкости, чтобы до прокачки оставшихся 0,5- 1.0 м³ перейти на работу с одним насосом и избежать гидравлического удара в системе труб.

Конструкции скважин ударно-канатного и роторного бурения, оборудованных фильтрами (а,в) и бесфильтровых (б)

Схема цементирования с двумя пробками

а - скважина заполнена промывочной жидкостью 2, в колонну введена нижняя пробка 1, начинается закачка цементного раствора в колонну; б - после зaкачки требуемого объема цементного раствора 6 устанавливается верхняя пробка 5, цементный раствор продавливается до стоп-кольца 3; в - цементный раствор выдавлен в затрубное пространство; г - обсадные трубы 4 опущены на забой.

Важным показателем в процессе является скорость подъема цементного раствора. Необходимо создать турбулентный режим движения раствора и в трубном пространстве, при котором будет происходить наиболее полное вытеснение глинистого раствора.

Для кондукторов и промежуточных обсадных колонн скорость цементного раствора должна быть не менее 1,5 м/с, а для эксплуатационных колонн не менее 1,8- 2,0 м/с. При возникновении опасных поглощений цементного раствора скорости восходящего раствора снижают.

Производительность растворного агрегата Qц.п должна удовлетворять условию

Qц.а. =0,785(D²-d_н²)v,

где v - скорость подачи цементного раствора в затрубном пространстве, равная 1,5-2,0 м/с.

Если требуемая производительность цементировочного агрегата выше паспортной, то подбирают более мощный агрегат или применяют несколько агрегатов. Для глубоких скважин рекомендуется иметь один цементировочный агрегат в запасе.

Количество подаваемой жидкости V_np обычно подсчитывают по формуле

V_np= d_в2H₁k/2, м³

где к - коэффициент запаса, равный 1,03-1,05; Н - глубина установки кольца «стоп», м.

Давление Р, развиваемое насосом перед посадкой верхней пробки на «стоп», определяют по формуле

Pmax=P1+P2,

где Р1 - давление, необходимое для преодоления разности плотностей жидкости в затрубном зазоре и трубах, МПа; Р₂ - давление, необходимое для преодоления сопротивления, МПа.

Технические характеристики цементировочных агрегатов

Показатели	ЦА 1,4/150	ЦА-300М	ЦА-320М	3ЦА-400
Ёмкость замерного бака, м3	3	3	о 1	6,9
Подача цементировочного насоса, : - максимальная	1,1	0,8	1,37	1,98
- минимальная	0,26	0,11	0,138	0,264
Максимальное давление, МПа	15	30	40	40
Тип водяного насоса	1В	1В	1B	1В
Мощность, кВт	9,57	9,57	9,57	9,57
Максимальное давление, МПа	1,5	1,5	1,5	1,5

При ударно-канатном бурении кольцевое пространство между обсадными (эксплуатационными) трубами и стенкой скважины тампонируют цементным раствором с мощью заливных трубок с задавливанием башмаков труб в слой глины, способной к на­буханию.

После окончательной установки эксплу­атационной колонны труб в водоносный пласт опускают скважинный фильтр на ко­лонне бурильных труб.

В водоносный горизонт, сложенный легкоразмываемыми породами (например, мел­кие пески без примеси галечника), фильтр можно вмывать

Глубина вмыва обычно не превышает 20 м. Если сведений о мощности и механическом составе водонос­ного горизонта нет, сначала бурят скважину малого диаметра и уточняют интервал уста­новки фильтра. Затем в скважину опускают фильтровую колонну с гидравлическим на­садком, который имеет обратный клапан и втулку с левой резьбой для соединения с бу­рильными трубами. Для достижения необхо­димого эффекта гидровмыва фильтра ско­рость выхода струи из сопла насадка должна быть не менее 40 м/с.

В скважины роторного бурения в услови­ях, когда водоносный горизонт сложен чисты­ми песками, фильтр можно устанавливать с помощью эрлифта. Фильтровую колонну диаметром на 75- 100 мм меньше ди­аметра эксплуатационной опускают в сква­жину и крепит хомутами.

В скважинах роторного бурения перед сдачей их в эксплуатацию производят разглинизацию водоносного пласта, которая бывает прямой и обратной - промывной во­дой и спецрастворами. Для этого чистую воду подают в зафильтровое пространство че­рез отстойник или рабочую поверхность фильтра. Для увеличения скорости выхода во­ды в зафильтровое пространство рекомендуют применять гидравлические ерши специальной конструкции. В.Г. Ильиным и И.Н. Бандырским был предложен и внедрен спо­соб разглинизации водоносного пласта путем создания вращательного движения вымываемого потока с помощью направленной винтовой полости из листового металла или винипласта, смонтированной непосредственно на поверхности фильтра. Такие полости позволяют при одних и тех же расходах воды преобразовать ее поступательное движе­ние во вращательное, увеличивая при этом вращательную скорость воды до 1,5-2,0 м/с.

Для разглинизации мелкозернистых водо­носных пластов используют всасывание гли­нистой корки через водоприемную поверх­ность фильтра при откачках. Практический интерес представляет предварительное по­крытие рабочей поверхности фильтра перед опусканием его в пласт тонким защитным сло­ем эпоксидного клея, который легко растворя­ется технической разбавленной серной кисло­той после окончания бурения.

Схемы установки фильтра

а - гидравлический вмыв (1 - конический насадок; 2 - фильтровая колонна; 3 - сальник; 4 - бурильные трубы; 5 - подача воды и от насоса; 6 - пульпа); б - с помощью эрлифта (1 фильтр; 2 - Т-образный ключ; 5 - колонны труб соответственно эксплуатационная, водоподъемная, воздухопроводящая; 6 - слив; 7 -оголовок; 8, 9 - подача воздуха от компрессора и воды от насоса)

После установки фильтра в скважину производят предварительные (строительные), опытные и эксплуатационные откачки.

Предварительные откачки осуществляют с целью очистки скважин от песка, ила, глины, окалины. Их осуществляют желонкой или эр­лифтом. Для определения возмож­ности получения из скважины расчетного рас­хода воды и оценки водоотдачи водоносного пласта при различных понижениях уровней воды в процессе работы насосов производят опытные и опытно-экспериментальные откач­ки.

Схема пробной откачки эрлифтом

1 - компрессор; 2,4,6,8 - трубы соответственно воздухопроводная, для отвода воды, водоподъемная, обсадные; 3 - воздух; 5 - вода; 6 - водоподъемная труба; 7- смеситель; 9,10 - динамический и статический уровни

Достоинства эрлифта: не имеет движущихся деталей, надежен в работе, может откачивать воду с большим содержанием песка и шлама, обладает высокой производительностью при малых диаметрах скважины. Недостатки: низкий коэффициент полезности действия и необходимость создания высокого столба воды в скважине.