Особенности и технология роторного бурения скважин

Что это за способ?

Технология заимствована из горнодобывающей отрасли. Подъемник и вышка устанавливаются на платформе грузового автомобиля (КАМАЗ, УРАЛ). Оборудование приводится в движение от электрического привода или двигателя внутреннего сгорания транспортного средства.

Бурение осуществляется вращением роторной трубы-штанги с особой насадкой (долото, бур, керн).

За счет чего это происходит:

• энергия от ДВС передается на ротор-штангу, которая преобразует эту силу в энергию вращения бура;
• ведущий момент поступает на трубу ротора, и она начинает вращение в заданном направлении;
• регулировать число оборотов бурильного снаряда можно открытием топливной заслонки двигателя.

Роторный способ в частном бурении эффективен на участках со сложным грунтом (твердые, скальные породы). Хорошо зарекомендована технология и на «плывунах». Промывочная жидкость преобразует их тягучий грунт в устойчивую гелеобразную выработку, в итоге, массив извлекается на поверхность без попадания в скважину.

Какие типы шахт можно пробурить?

Возможности роторного бурения зависят от наборной длины колонны и технических особенностей бурильной установки.

Если отойти от конкретных нюансов, то общие варианты применения следующие:

1. Большинство сверхглубоких артезианских скважин с залеганием водоносного пласта на уровне 300 метров (и даже глубже) бурится роторными установками с последующей промывкой скважины и установкой обсадных труб.
2. Технология применяется в скважинах «на известняк» с залеганием пластов на уровне 80-100 м. По своим характеристикам и качеству подаваемой воды такие водоносы приравнены к артезианским источникам.
3. Методом роторного бурения успешно проходят скальные, полускальные участки, как неглубокие, так и на уровне 150 м. При этом важно правильно подобрать долото и установить в снаряд утяжеленные бурильные трубы.

К примеру, МБУ-70 обеспечит проход на глубину до 70 м. А если установить сюда алмазное долото, то ей по силам пробурить и каменистый грунт.

Роторное бурение скважин на воду — видео:

Плюсы и минусы

Преимущества роторной технологии:

1. Мобильность установки. Размещение техники на грузовом автомобиле позволяет доставить ее на отдаленные участки по непроходимым дорогам.
2. Универсальность. Водозабор можно обустроить на территориях с благоприятными или сложными геологическими условиями. Роторное долото пробурит скважину увеличенного диаметра при внушительной глубине, что полезно при строительстве общего водопровода в дачных поселках.
3. Функциональность роторной техники. Применяются стационарные или мобильные установки с размещением на колесной платформе или на гусеничном ходу. Отличаются они габаритами и техническими параметрами, глубиной проходки. При необходимости стандартная комплектация оснащается дополнительным оборудованием.
4. Скорость. Благодаря особенностям вращательного метода бурения производительность работ выше других способов.
5. Продолжительный срок службы скважины. Дело в том, что после установки обсадной колонны при формировании стенок водозабора, дополнительно укрепляют затрубное пространство.

Минусы роторного бурения автономных водозаборов:

1. Технология дорогая в сравнении с остальными способами. Связано это с расходами на транспортировку реагентов и воды для приготовления промывочной жидкости.
2. Зимой этот способ используется редко из-за промерзания почвы и риска разрушения бурового снаряда. Природную преграду можно убрать путем дополнительной защиты оборудования. Но тогда возрастает стоимость работ, что не выгодно большинству дачников.

Какое используется оборудование?

Самоходные и стационарные установки в своем составе имеют следующее оборудование:

1. Вышка – сооружение в форме мачты или башенный каркас на 4-х опорах. Высота установки 12-15 м. На вышке закрепляются бурильные трубы.
2. Поршневой буровой насос. Используется для прокачки промывочного раствора в скважину.
3. Вертлюг. Через него промывка из насоса поступает в буровую колонну. Устройство подвешивается за крюк в самом верху опорной мачты.
4. Талевая линия с лебедками и блоками. Механизм используется при спусковых и подъемных операциях.
5. Элеватор для захвата и удержания труб.
6. Долота шарошечные или алмазные. Именно они разрабатывают грунт.
7. Фильтры – решетчатые, инерционные или вибрационные. Обеспечивают удаление продуктов выработки после формирования скважины. Тип используемых фильтров зависит от технических особенностей бурильной установки.

Также используются различные стропы для крепления, переходники, откачивающие насосы.

Устройство и принцип работы РБУ

Продвижение бура в толщу породы обеспечивает именно ротор:

• технически это бурильный снаряд с подвижным вращающимся стволом, на котором удерживается ведущая труба;
• к снаряду крепится штанга или связка бурильных труб;
• на конце снаряда смонтирован бур в виде шарошечного долота с 2-4 режущими лопастями;
• диаметр бура всегда больше диаметра рабочей колонны;
• ротор приводит долото во вращательное движение, обеспечивая выработку породы.

Помимо основного назначения механизм удерживает бурильные и обсадные трубы при их спуске и подъеме.

Общие принципы работы роторной установки:

• бурение происходит путем вращения вокруг оси подвижной части роторного снаряда;
• при разработке скважины усилие на долото передается от ротора через рабочую колонну;
• вкручивание вглубь сочетается с осевым давлением массивного долота на проходимую породу, но без трения более тонкого бурильного ствола о стенки забоя;
• за счет такой особенности снижаются энергозатраты на проходку, а бурильная труба и стенки скважины защищены от повреждений;
• выемка разрушенной породы происходит с помощью жидкости, подаваемой через затрубное пространство или рабочую колонну.

Подготовка

Подготовительный этап заключается в поиске водоносного горизонта на участке и определении места оборудования скважины.

Обнаружение водоносных слоев

Проводится предварительная гидрологическая разведка. Подробную картину дают электрическое зондирование и георадарная радиолокация.

На что обращают внимание:

1. Глубина залегания водоносного пласта, его распределение по участку.
2. Места наиболее близкого и глубокого расположения жидкости.
3. Потенциальное и необходимое давление подземной воды.

Не стоит полагаться на приметы и народные способы. Даже если они и покажут наличие подземной воды на участке, но важных в технологии бурения характеристик пласта не дадут.

Выбор места

Тип бурильной установки и дополнительное оборудование подбирают в зависимости от породы грунта в месте буровых работ.

Что при этом учитывают:

• геологические особенности территории;
• наличие скалистости породы, ее характеристика;
• просадочность участка, категории буримости вскрываемых грунтов;
• возможность доставки и размещения оборудования, обеспечение непрерывного подвоза промывочной воды.

Грунтовая диагностика проводится путем геологических изысканий. Работы проводят организации, специализирующиеся на инженерно-геологических и гидрологических изысканиях. Подробнее читайте здесь.

Этапы работ

Общие этапы роторной технологии:

• разрушение грунта при помощи долота;
• выемка бурильного шлама нагнетаемым потоком воды;
• укрепление скважины обсадкой.

Этапы работ складываются из следующих шагов:

1. Заглубление в породу крупногабаритного бура.
2. Монтаж бурильных и утяжеленных труб в колонну.
3. Воздействие вращающимся ротором на долото с разрушением грунта.
4. Промывка скважины с применением водонапорного насоса для выемки грунтового шлама.
5. Монтаж обсадных труб для укрепления стенок водозабора, предотвращения обсыпания грунта внутрь скважины.
6. Проходка долотом-шарошкой меньшего диаметра.

При обратной промывке раствор поступает между трубами и капсулой скважины, выносится на поверхность по трубам бурильной колонны. На поверхности загрязненная жидкость подается в очистной резервуар. Затем воду направляют в шахту за следующей порцией отработанного шлама.

Промывочная жидкость

У промывки две основные задачи: охлаждать долото при бурении и вымывать опавший грунт и посторонние включения.

Для этого применяются:

• составы на полимерной основе;
• нефтяные эмульсии;
• аэрированные растворы;
• глинистые промывки;
• чистая техническая вода.

При проходке рыхлых несвязанных пород (песок, щебенистые грунты, гравийно-галечные отложения) промывку обогащают буровыми добавками. Это защищает скважину от попадания выработки внутрь, поскольку вначале бурения обсадные трубы еще не установлены.

Как учесть характеристики грунта?

Физико-химические особенности грунта определяют технические нюансы работ. Подбирается интенсивность вращения снаряда, напор прокачивающей жидкости, вес и число труб-утяжелителей, выбор долота.

К примеру:

1. Бурение водоносов в легком грунте происходит на увеличенной скорости и с интенсивной подачей промывки.
2. При роторной разработке участков с рыхлой породой применяют технологию с обратной промывкой шахты. В этом случае у основания колонны создают объемный водный отстойник, поскольку подаваемая в колонну жидкость всасывается у основания сооружения.
3. При выработке твердого грунта снижается число оборотов снаряда – до 90-400 об./мин., уменьшается объем прокачиваемой жидкости для подъема отработанного шлама – в пределах 0,8 м/с.

Установка фильтра после завершения процесса

Для повседневной подачи воды устанавливают насос. Вибрационные типы нежелательны. Их производительность невысока, а вибрации снижают прочность скважины.

В этом плане центробежные и винтовые насосы предпочтительнее. Насос монтируется на 1 м ниже динамического уровня подземного источника.

Механический фильтр продлит срок службы скважины и насоса, улучшит качество воды. Оборудование рекомендуют ставить даже на известняковые сооружения.

Используются системы грубой очистки:

• сетчатые;
• кассетные;
• засыпные.

Сетчатое оборудование ставят внутрь скважины. Технологически — это полая труба меньшего, чем колонна диаметра, с небольшими отверстиями или щелями. Поверхность обмотана проволокой, по ней идет ячеистая сетка. Размер ячеек подбирается так, чтобы задерживались крупные загрязнения, и не забивался фильтр.

Кассетная и засыпная очистка применяется, если нельзя смонтировать фильтр в скважине. Такое оборудование устанавливается на поверхности. Кассетные системы работают на сменных картриджах, засыпные – на сыпучей очистке.

После завершения работ формируется внешняя защита от попадания в скважину камней, мусора, опавшей листвы и прочих «добавок». Для этого можно накрыть водный источник подручными средствами (бочки, ведра) или сделать эстетичный люк-колодец. Подробнее читайте здесь.

Заключение

Роторное бурение используют в частном секторе для бурения глубоких водозаборов. Метод рекомендуется при работах на скалистом грунте. В силу «промышленного происхождения» технология позволяет обустраивать долговечные водоносы с отличной водой питьевого качества.

При обустройстве скважин-верховодок классический роторный метод не оправдан из-за технической сложности и финансовых затрат.