Бурение инженерно-геологических скважин в Красноярске

Необходимость в бурении инженерно-геологических скважин возникает при изучении литологических и физико-механических свойств пород на территориях выделенных под сооружение промышленных и гражданских объектов.

На сегодняшний день для разрушения твердых пород используют два способа:

• механический — при этом используются гидравлические аппараты, машины и различные инструменты;
• химический — выщелачивание, растворение, газификация.

Бурение инженерно-геологических скважин механическим способом

Механический способ бурения бывает двух типов:

• ударным;
• вращательным.

Используя ударный способ, породу разрушают долотами с буровыми наконечниками. При вращательном бурении слой породы может быть срезан или раздавлен и стерт в забое при помощи режущих и дробящих долот и резцов коронок, алмазами.

Ударное бурение делят на:

• канатное;
• штанговое.

При канатном способе буровые наконечники спускают в скважину, а затем приводятся в движение тросом (канатом). При штанговом способе бурение осуществляют металлическими стержнями-штангами, производиться это может с промывкой забоя или без нее. При ударном бурении разрушение породы осуществляется сплошным забоем — на полное сечение диаметра скважины.

Вращательное бурение также бывает двух видов:

• роторное;
• колонковое.

Роторное используют в тех ситуациях, когда скважину можно проходить сплошным забоем. При колонковом бурении разрушение породы ведется по кольцу с использованием пустотелого цилиндра-коронки. В полости коронки остается керн (или колонка породы) — неразрушенный столбик, поэтому этот вид называют колонковым. При ведении работ вращательным способом применяют твердые сплавы, алмазы или буровую стальную.

Вращение бурового наконечника осуществляет двигатель, если он находится на поверхности, то через бурильные трубы-штанги. Также двигатель может быть расположен на забое за буровым наконечником, в этом случае он опускается на трубах или на канате. Забойным двигателем называют электробур, гидровибратор, турбобур и др.

Для колонкового бурения в настоящее время разрабатывают компактные забойные двигатели, а также забойные механизмы по типу гидроперфоратора, которые одновременно воздействуют вращательным способом и буровым ударным наконечником. Такой вид называют комбинированным.

Ручной и механический способ бурения инженерно-геологических скважин

Бурение инженерно-геологических скважин различают также по виду применяемой энергии:

• ручное;
• механическое.

Вращательное бурение, как правило, ведут с промывкой (с продувкой) забоя таким образом, чтобы разрушенная порода выносилась на поверхность потоком жидкости (газа). При штанговом и канатном ударном бурении промывка и очистка забоя, от разрушенной долотом породы, осуществляется специальными приспособлениями — желонками.

Для повышения эффективности разрушения пород создаются механизмы, которые обеспечивают комбинированное воздействие — вращение и удар. К таким механизмам относят гидровибраторы и гидроперфораторы.

При бурении твердых пород ударно-вращательный способ считается самым эффективным из всех механических. Для прокладки неглубокой скважины (до 30 м) в мягких грунтах применяют вибробурение. В этом случае буровой инструмент погружается за счет веса самого инструмента и вибрации, создаваемой механическим вибратором.

К ручным способам прокладки скважин относят в первую очередь термический, его еще называют огневым. Используется он главным образом для работы с породами, имеющими кремнистую основу. Способ основан на воздействии на породу огнем температурой до 2400 °С со скоростью подачи до 1800 м в секунду. При таком воздействии зерна кварца преобразуются, увеличиваясь в объеме, это влечет за собой скалывание частиц породы. Затем из забоя частицы выносятся на поверхность при помощи водяного пара. Из-за того, что производительность этого способа ниже механических видов бурения, а сложность осуществления достаточно высока, из стадии лабораторных исследований он пока не вышел.

В будущем для неглубоких скважин планируют использовать электрогидравлический метод, который был предложен Л. А. Юткиным. Его суть заключается в прохождении электрической искры в воде между полюсами, в результате образуется сильное давление и происходят взрывы, поэтому вблизи искры порода разрушается.

В некоторых странах сейчас проводят исследования по разбиванию твердых пород с помощью ультразвука. Колебания могут подаваться долоту посредством бурильных труб или абразивного порошка, его подсыпают под инструмент. В качестве абразива чаще всего выбирают карбид бора, смоченный водой.

Основные способы бурения инженерно-геологических скважин

При бурении инженерно-геологических скважин чаще всего используют следующие способы:

• колонковый;
• вибрационный;
• шнековый;
• ударно-канатный.

Сам процесс бурения в этих способах, как правило, механизирован. Выбор конкретного способа зависит от типа грунта и некоторых других условий.

Колонковый способ

Колонковое бурение применяют, если необходимо вести работы в полускальных или скальных породах, а также плотных связных грунтах с использованием глинистой промывки. С его помощью можно делать скважины глубиной до 100 м.

Вибрационный способ

Вибрационный метод является самым производительным, его применяют для прокладки рыхлых и связных и пород, которые не содержат большого количества примесей крупнообломочного материала. Он позволяет пробурить скважину глубиной до 20 м.

Шнековый способ

Этот достаточно производительный способ применяют для вскрытия водоносных слоев, когда подробное изучение проходимых пород не требуется. Шнековым способом можно пробурить скважину глубиной до 50 м.

Ударно-канатный способ кольцевым забоем

Его применяют для разведки связных, рыхлых и полускальных пород. При помощи ударно-канатного способа кольцевым забоем можно пробурить скважину глубиной до 50 м.

При необходимости изучения прочностных и механических свойств пород вибрационное, ударно-канатное и шнековое бурение сопровождают отбором монолитов (небольших образцов, у которых не нарушена структура), делают это при помощи грунтоносов различного типа.

Например, в глинистых грунтах полутвердой и твердой консистенции применяют обуривающие грунтоносы, скорость их вращения равна 60 об./мин., давление на забой составляет 150-300 кгс. Для грунтов мягкопластичной, тугопластичной и текучепластичной консистенции применяют вдавливаемые грунтоносы. При этом грунтонасос заглубляют на расстояние до 40 см.

Начальные диаметры бурения определяют количеством мест изменения диаметра скважины по всей глубине. Их появление связано с неустойчивостью стенок, которые необходимо закреплять обсадными трубами.

Правила проведения работ

В зависимости от способа бурения инженерно-геологических скважин разработаны рекомендации по использованию промывки и выбора диаметра отверстия.

Способы и разновидности бурения скважин:

• Колонковый:
• с использованием промывки водой — применяют для скальных слабовыветрелых (с трещинами) и невыветрелых (монолитных) пород, диаметр бурения выбирают 34-146 мм;с использованием промывки глинистым раствором — применяют для скальных слабовыветрелых (с трещинками), выветрелых и сильновыветрелых, песчаных, крупнообломочных и глинистых пород, диаметр бурения выбирают 73-146 мм;с использованием продувки воздухом — применяют при скальных слабовыветрелых (с трещинками), невыветрелых (монолитных) и необводненных и мерзлых, дисперсных, пластично-мерзлых и твердомерзлых грунтах, диаметр бурения выбирают 73-146 мм;
• с использованием промывки охлажденными и солевыми растворами — применяют для всех типов мерзлых грунтов, диаметр бурения выбирают 73-146 мм;
• с использованием призабойной циркуляции промывочной жидкости — применяют для скальных выветрелых и сильновыветрелых, обводненных и глинистых грунтов, диаметр бурения выбирают 89-146 мм;
• Ударно-канатный:
• клюющий — применяют для глинистых слабообводненных грунтов, диаметр бурения выбирают 89-168 мм;
• забивной — применяют для песчаных и глинистых слабообводненных и необводненных, пластичномерзлых грунтов, диаметр бурения выбирают 108-325 мм;
• со сплошным забоем с использованием желонок и долот — применяют для крупнообломочных, слабообводненных и песчаных обводненных грунтов, диаметр бурения выбирают 127-325 мм.
• Шнековый:
• Вибрационный — применяют для песчаных и глинистых обводненных и слабообводненных грунтов с использованием вибромолота или вибратора, диаметр бурения выбирают 89-168 мм.
• рейсовый — применяют для крупнообломочных, песчаных, глинистых слабообводненных и обводненных грунтов, диаметр бурения выбирают 146-273 мм;
• поточный — применяют для крупнообломочных, глинистых слабообводненных, песчаных и обводненных грунтов, диаметр бурения выбирают 108-273 мм.
• без промывки (всухую) — применяют для скальных сильновыветрелых и выветрелых, глинистых и песчаных, твердомерзлых и пластичномерзлых грунтов, диаметр бурения выбирают 89-219 мм.

Колонковое бурение

При колонковом бурении инженерно-геологических скважин разрушение породы производится прорезанием канала кольцевой формы при помощи вращения трубы с буровой коронкой, размещенной на конце. При этом в центре забоя (внутри трубы) образуется керн, имеющий форму столбика с ненарушенной структурой. После образования керна нужной длины его вынимают из массива с помощью кернорвателя, который устанавливают на колонковую трубу сразу над коронкой, а затем поднимают на поверхность.

При проведении работ для инженерных изысканий колонковое бурение производят, как правило, без промывки (всухую). Углубку скважин осуществляют грунтоносом обуривающего типа.

Колонковое бурение пород часто ведется с использованием призабойной циркуляцией жидкости для промывки, иногда — с промывкой глинистым раствором, который обеспечивает вынос шлама, а также создает необходимый вес столба жидкости для поддержания равновесия с помощью гидростатического давления. Это позволяет обеспечить устойчивость стенок скважины.

Чтобы получить качественные образцы проходимых пород, нужно довести глинистый раствор до следующего состояния:

• чтобы он образовывал тонкую плотную корку (толщиной 0,5-1,0 мм) на стенках скважины, это необходимо для предотвращения поглощения жидкости для промывки;
• чтобы в суспензии обеспечивалось минимальное количество свободной воды, необходимо это для предотвращения набухания глины на стенках скважины.

Данным требованиям способен соответствовать раствор, который приготовлен из бентонитовой глины с высокой дисперсностью и тиксотропностью. Во время бурения при помощи лабораторных методов осуществляют контроль за свойствами и качеством глинистого раствора, определяя следующие параметры:

• вязкость;
• содержание фракций размером более 0,005 мм;
• водоотдача;
• суточный отстой;
• сопротивление сдвигу;
• толщина глинистой корки;
• плотность;
• стабильность суспензии;
• рН;
• температура;
• содержание газов.

Вместо промывки можно также применять продувку сжатым воздухом. Она обладает рядом неоспоримых преимуществ при разведочном бурении:

• исключается дополнительное увлажнение и размыв забоя и керна;
• исключается возможность увлажнения и загрязнения шлама, смешивание его различий;
• отсутствие необходимости в доставке к скважине воды.

Существенной причиной, препятствующей широкому распространению этого метода, является геолого-гидрогеологическая ограниченность возможности бурения: продувку забоя целесообразно проводить в скважинах, которые не содержат жидкую воду.

Шнековое бурение

При бурении инженерно-геологических скважин в мягких и рыхлых породах шнековым способом разрушение производят вращающим долотом разных конструкций. С забоя разрушенная порода транспортируется на дневную поверхность при помощи шнеков, которые имеют вид единого винтового транспортера.

При шнековом бурении геологическое исследование затрудняется частичным перемешиванием породы в период ее транспортировки шнеками. Пробы можно отобрать только при непрерывной периодической углубке.

При бурении кольцевым забоем используют специальные коронки и магазинные шнеки. Однако при шнековом бурении часто искривляется ствол скважины, что не лучшим образом сказывается на свойствах и структуре отобранных монолитов.

В городских условиях, где высока плотность застройки, развитая коммуникационная сеть и активизированы техногенные процессы, возникает необходимость в применении «малогабаритного» ручного ударно-вращательного способа бурения. Используют его для рыхлых пород.

Ручное бурение имеет два больших недостатка:

• высокая трудоемкость;
• низкая производительность.

Поэтому есть смысл использовать ударно-вращательный способ бурения с механизацией процесса.

Вибрационное бурение

Вибрационное бурение инженерно-геологических скважин основано на передаче инструменту направленных колебаний, которые создаются вибропогружателем. Частота колебаний составляет 1200-2000 в минуту при амплитуде 1,5-10 мм.

Вибропогружатели используют в двух вариантах:

• с опорой на наковальню (специальную плиту);
• с жестким креплением к бурильной трубе.

Инструмент для бурения вибрационным способом состоит из бурильных труб и зондов. Для работы со связными глинистыми грунтами используют зонды с одним отверстием, для работы со слабосвязными грунтами — зонды с клапаном.

Ударно-канатное бурение

При ударно-канатном бурении разрушение породы осуществляется повторными ударами наконечника, который подвешен на канате (тросе). В качестве наконечника используют:

• в связных грунтах — буровой стакан;
• в полускальных породах — долото;
• в несвязных грунтах — желонку.

Инструмент для ударно-канатного «клюющего» способа бурения состоит из утяжеленной ударной штанги, забивного стакана или ударного патрона. Стаканы по всей своей длине имеют прорезь, которая необходима для очистки от грунта.