Вопрос 75. Геофизические исследования в буровых скважинах

Геофизические исследования в буровых скважинах проводятся для изучения геологического разреза горных пород. Различают электрический радиоактивный, резистивиметрический и другие виды каротажа.

Электрический каротаж основан на измерении вдоль ствола скважины кажущегося электрического сопротив­ления пород (метод КС) и потенциала естественного поля (метод ПС). Для этого один электрод перемещается по скважине, а второй на поверхности, в образовавшейся электрической цепи измеряют силу тока. Этими методами расчленяют толщу пород по литологическим признакам, выделяют пласты, насыщенные водой и т.д.

Радиоактивным каротажем измеряют интенсивность естественного гамма-излучения горных пород (гамма-каротаж ГК) и вторичного гамма-излу­чения, возникающего при облучении нейтронами из источника перемещаемого вдоль ствола скважины (нейтронный гамма-каротаж НТК). С помощью радиоактивного каротажа можно определить состав и состояние пород, а также некоторые их свойства: объем­ный нес. влажность и объем­ный вес скелета.

Резистивиметрический каротаж применяют для обнаружения мест притока (или поглощения) воды в скважине, определения скорости ее дви­жения и др. После промывки и заполнения скважины раствором поваренной соли с по­мощью специального прибора резистивиметра, опускаемого в скважину, следят за измене­нием удельного электрическо­го сопротивления раствора. Места притока воды в скважину обнаруживают по увели­чению сопротивления, так как подземные воды менее соленые, чем раствор поваренной соли, а следователь­но, должен обладать боль­шим электрическим сопротивлением. Скорость движения подземных вод определяется по интенсивности возрастания электрического сопротивления в процессе замещения раствора подзем­ными водами.

Вопрос 76. Буровые и горно-проходческие разведочные работы. Бурение скважин

Буровые и горно-проходческие разведочные работы являются существенной частью инженерно-геологических исследований. С помощью буровых скважин и горных выработок (шурфов, канав и др.) выясняют геологическое строение территории, устанавливают и уточняют геологический разрез, условия залегания грунтов и подземных вод; определяют глубины залегания уровня подземных вод; отбирают образцы грунтов для определения их состава, состояния и свойств, а также проб подземных вод для их химического анализа; определяют гидрогеологические параметры водоносных горизонтов и зоны аэрации и производят геофизические исследования; выявляют и оконтуривают зоны проявления геологических процессов и инженерно-геологических явлений.

Бурение скважин является основным видом разведочных работ при инженерно-геологических исследованиях. Буровая скважина – это цилиндрическая вертикальная выработка малого диаметра, выполняемая спе­циальным буровым инструментом. В буровых скважинах различают устье, стенки и забой или дно.

Сущность бурения заключается в постепенном и последовательном разрушении породы на забое и извлечении ее на поверхность. Образцы породы, извлекаемые из скважин, называют керном.

К преимуществам бурения относят высокую скорость проходки скважин, возможность достижения больших глубин, механизацию спуско-подъемных операций, мобильность буровых установок. Бурение имеет и недостатки: невозможность осмотра стенок скважины ввиду малого ее диаметра, небольшой размер образцов, необходимость промывки скважин при бурении и др.

Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических изысканий, обычно находится в пределах 33-219 мм. Глубина скважин определяется задачами исследований, для инженерных изысканий скважины условно подразделяются на мелкие – 10м, средние – 10-30 м, глубокие – от 30 до 100 м, весьма глубокие – более 100 м.

Бурение скважин производят буровым наконечником, который, соединяясь с бурильными трубами (штангами), создает буровой снаряд.

Удары или вращения этого снаряда и передача на него давления осуществляется буровыми станками, приводимыми в действие различными двигателями.

Намечаемые в программе изыскании способы бурения скважин должны обеспечивать высокую эффективность бурения, необходимую точность установления границ между слоями фунтов (отклонение не более 0.25-0.5 м), возможность изучения состава, состояния и свойств грунтов, их текстурных особенностей и трещиноватости скальных пород в природных условиях залегания.

При инженерно-геологических исследованиях применяют следующие виды бурения скважин: ручное ударно-вращательное, вращательно-колонковое, вибрационное и шнековое. Другие виды бурения, которые не дают возможности отбора керна, либо вообще не применяются для инженерно-геологических исследований (роторное), либо применяются редко (ударно-канатное бурение).

Ручное ударно-вращательное бурение из-за низкой производительности и высокой трудоемкости применяется в крайне ограниченном объеме (труднодоступная местность, малый объем работ и др.). Ручным способом бурят скважины в рыхлых грунтах на глубину до 10-15 м, реже 30 м. Применение этого вида бурения встречает большие затруднения при проходке обводненных рыхлых несвязных или слабосвязных пород (песков, супесей, илов и т.п.), так как из них редко удается извлечь удовлетворительные образцы пород.

При извлечении из скважины порода часто смывается с бурового наконечника, а применение желонки ведет к сильному перемешиванию пород, вследствие чего нельзя установить не только структуру и текстуру пород, но часто даже и порядок напластования.

При ударно-вращательном бурении для инженерно-геологических целей широкое распространение получили грунтоносы, которые позволяют отобрать образцы с естественной структурой и влажностью.

Вращательное колонковое бурение наиболее часто применяется при инженерно-геологических исследованиях, оно позволяет получить керн с сохранившейся структурой и влажностью. Колонковое бурение нельзя применять при проходке скважин в рыхлых несвязных отложениях (песках, галечниках и т.п.) и в породах, разрушенных выветриванием, так как в этом случае нельзя получить керн хоро­шей сохранности. Опыт показал также, что при обычных скоростях вращения и при бурении с промывкой супесчаных, суглинистых и глинистых пород, содержащих слабые прослои, нарушается структура пород, изменяется их влажность и происходит размывание слабых прослоев. Чтобы получить керн пород с ненарушенной структурой и влажностью, увели­чивают диаметр бурения, уменьшают до минимума длину рейса проходки и количества промывочной жидкости, а иногда даже вообще отказываются от промывки.

В глинистых породах для отбора проб грунта ненарушенной структуры (монолиты) используют наконечники специальной конструкции - грунтоносы диаметром не менее 100—125 мм.

Вибробурение является одним из наиболее производительных способов бурения, при котором буровой снаряд погружается в породу благо­даря вибрационным колебаниям. При помощи вибратора глинистые и пес­чаные обводненные породы проходят на глубину до 15-20 м. Следует отметить, что под влиянием вибрации глинистые грунты изменяют свою структуру, уплотняются и очень трудно, а иногда и невозможно фиксиро­вать уровни подземных вод.

Шнековое бурение скважин применимо только в рыхлых породах и далеко не во всех. Этот метод отличается большой скоростью при проходке скважин в песчано-глинистых грунтах на глубину до 30 м. Разру­шение пород производится вращающимся долотом, а подъем их — шне­ками, т.е. трубами, на поверхность которых приварена стальная спираль.

Бурение скважин в неустойчивых и водонасыщенных породах осложняется вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обсадные трубы, которые опускают в скважину, после чего продолжают бурение наконечником уже меньшего диаметра. По окончании бурения обсадные трубы извлекаются, а скважину ликви­дируют.

Применение шнекового бурения следует обосновывать в программе изысканий из-за возможных ошибок при описании разреза и невысокой точности фиксации контакта между слоями грунтов (0.5-0.75 м и более).

При гидрогеологических исследованиях бурят скважины разведочные, опытные, наблюдательные и разведочно-эксплуатационные. Сква­жины, предназначенные для забора воды, называют скважинами на воду. Они отличаются от других большим диаметром, что связано со значи­тельными размерами погружных насосов.

Бурение скважин на воду осуществляется в основном ударно-канатным и роторным способами. Вращательно-колонковое бурение из-за мало­го диаметра скважины применяют в ограниченном объеме, в основном в скальных породах при глубине скважин до 200 м.

Ударно-канатное бурение рекомендуйся в районах широкого распространения гравийно-песчано-глинистых отложений. Глубина бурения до 100 м. Проходка ведется за счет сбрасывания на забой утяжеленного бурового снаряда (желонки, забивного стакана), подвешенного на канате, и последующего его подъема па поверхность вместе с породой.

При ударно-канатном бурении возможно опробовать все попутно встреченные водоносные горизонты, устанавливать фильтры больших диаметров (до 500 мм и более), не применять глинистую промывку. Дебит скважит, пройденных ударно-канатным способом, выше дебита скважин, пройденных роторным способом в аналогичных условиях. Однако скорость бурения ударно-канатным способом значительно уступает роторному.

Роторный способ – это вращательное бурение сплошным забоем, с помывкой или продувкой воздухом, с вращателем (ротором) на поверхности Роторное бурение используют для бурения скважин любой глубины (обычно более 150 м) на водоносные горизонты, ранее хорошо изученные и опробованные. Скорость бурения весьма высокая. Порода на забое разрушается полностью с помощью шарошечных долот. Для отбора проб используют колонковые снаряды. Недостаток роторного способа – глинизация стенок скважины при бурении с глинистым раствором, невоз­можность качественной геологической документации. После бурения скважины для увеличения ее дебита проводят разглинизацию стенок скважины, а также электрокаротаж для уточнения гео­логического разреза.

Все буровые скважины после окончания работ должны быть ликвидированы посредством тампонажа глиной или цементно-песчаным раствором с целью исключения загрязнения природной среды и активизации геологических и инженерно-геологических процессов.