Бурение скважин и шпуров
Процесс бурения в водопроводном строительстве выполняют в целях устройства скважин для водоснабжения и водопонижения, бестраншейной прокладки трубопроводов (горизонтальное бурение), взрывания грунтов, геологических и гидрогеологических изысканий, устройства бурона-бивных свай, искусственного закрепления грунтов и др. Для этого в породах бурильными машинами или инструментом бурят цилиндрические отверстия (выработки) разных диаметров и глубин. Выработки диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м называют шпуром, диаметром более 75 мм и глубже 5 м - скважиной. Шпуры и скважины могут быть вертикальными, наклонными и горизонтальными. Начало шпура или скважины называют устьем, низ - забоем, боковые поверхности - стенками. Наибольшее применение скважины в системах водоснабжения получили при устройстве подземных водозаборов в виде трубчатых буровых колодцев. В зависимости от степени изученности гидрогеологических условий скважины на воду бурят трех видов - разведочные, разведочно-эксплуатационные и эксплуатационные.
Разведочные скважины бурят в малоизученных районах для определения водоносности и фильтрационной способности пород, качества воды и основных параметров водоносных горизонтов. После выполнения скважинами своего назначения их ликвидируют. Разведочно -- эксплуатационные скважины бурят также в районах слабой гидрогеологической изученности или в районах с невыдержанными геологическими
и гидрохимическими условиями. Эксплуатационные скважины, предназначенные для подачи воды потребителям, бурят в районах разведанных и эксплуатируемых водозаборов, а также в районах с высокой степенью их гидрогеологической изученности или вблизи действующих скважин.
Процесс бурения скважин состоит из двух операций - разрушения или отделения породы на дне скважины и удаления разрушенной породы из нее. Трудоемкость бурения породы (ее буримость) характеризуется временем чистого бурения 1 м скважины и зависит от крепости породы, т.е. сопротивляемости любым видам разрушения.
Бурение неглубоких скважин (до 50 ... 100 м) различного назначения производят в основном механическими способами - колонковым, медленно-вращательным, шнековым, вибрационным, роторным, ударно-канатным и др. Механическое вращательное и ударное бурение скважин бывает медленно-вращательным на бурильных и обсадных трубах и ударным с отрывом породоразрушающего инструмента от забоя (колющий способ) и без отрыва инструмента (забивной способ). Для бурения этими способами скважин с одновременным креплением их трубами применяют легкие передвижные и самоходные установки УБР-1, УБР-2, БУР-2М и др. При вращательном бурении лезвием буровой ложки срезают слой рыхлой породы и затем извлекают вместе с буром на поверхность. Ударное бурение ведут в твердых породах и в основном по способу забивки, т.е. без отрыва породоразрушающего инструмента от забоя, которым в процессе внедрения его в грунт выбуривают керн. При медленно вращательном бурении в качестве породоразрушающего инструмента используют буровые ложки и змеевики, а при ударном - долота, ударные штанги, желонки и т.п.
При шнековом бурении породу разрушают долотом, а транспортируют наверх шнеками. Преимуществами шнекового бурения являются высокая механическая скорость (до 40 ... 80 м/ч), незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы, сравнительно большой диаметр скважины (60 ... 400 мм) и отсутствие потребности в промывочной жидкости.
Вибрационное бурение скважин диаметром 60... 146 мм на глубину 25 м применяют двух видов: чисто вибрационное и ударно-вибрационное. В первом случае на буровой инструмент передаются вибрационные нагрузки от вибратора, а во втором - ударные импульсы высокой частоты от вибромолота.
Бурение глубоких скважин (до 1000 м и более) ведут колонковым вращательным, глубоким вращательным (роторным, турбинным, электробурами) и ударно-канатным способами. При колонковом вращательном бурении порода разрушается по наружной кольцевой части поперечного сечения с сохранением внутри столбика породы - керна. Для бурения применяют коронки, армированные алмазными и твердыми сплавами, а так-
же буровую дробь с дробовыми коронками. Применяют также кернорвате-ли, предназначенные для отрыва керна и удержания его в колонковой трубе при подъеме бурового снаряда. Колонковое бурение применяют в основном при разведке полезных ископаемых и геолого-технических изысканиях.
Глубокие скважины бурят чаще всего вращательными способами -роторным, турбинным и с помощью электробуров с промывкой и продувкой. При роторном бурении вращение бурового снаряда осуществляют ротором, устанавливаемым над устьем скважины, а при турбинном породораз-рушающий инструмент вращают турбины, опускаемые на забой скважины вместе с долотом на колонне бурильных труб. При бурении электробуром инструмент вращают забойным электродвигателем малого диаметра и значительной длины. При глубоком вращательном бурении, особенно скважин
на воду, используют лопастные, шарошечные, алмазные и другие долота без отбора керна. При необходимости отбора керна применяют колонковые долота или турбодолота.
Глубинное бурение скважин вращательным роторным или турбинным способом осуществляют с помощью специальных установок (рис. 3.17). Диаметры скважин колеблются от 76 до 590 мм. Их бурят колонной бурильных труб с породоразрушающим инструментом, (буровым снарядом), соединенным с ведущей бурильной трубой квадратного или шестигранного сечения, которую вставляют в отверстие ротора. Благодаря вращению ротора вращение передается ведущей трубе и бурильному снаряду. Привод ротора и других механизмов осуществляется от двигателя внутреннего сгорания или электродвигателя. Для промывки скважины имеются насосы. Промывочная жидкость охлаждает долото, вымывает разрушенную породу, вынося ее из скважины.
Основным породоразрушающим инструментом при глубоком вращательном бурении служат долота, которые по характеру воздействия на породу подразделяются на: режуще-скалывающего типа, лопастные, разрушающие породу лопастями; шарошечные (дробяще-скалывающего действия), разрушающие породу зубьями или штырями на шарошках; алмазные
долота и типа ИСМ истирающе-режущего действия, разрушающие породу алмазными зернами или твердосплавными штырями в торцовой части долота. Лопастные долота применяют для бурения мягких пород и средней твердости пород, а шарошечные - пород с различными показателями твердости, абразивности и пластичности. Алмазные долота используют при бурении скважин в известняках, доломитах и других малоабразивных породах.
При ударно-канатном бурении породу разрушают по всему забою опусканием в скважину на стальном канате бурового снаряда массой 1 ... 3 т (рис.3.18) с клиновидным долотом. Для придания скважине цилиндрической формы буровой снаряд с долотом при подъеме после каждого удара поворачивают на некоторый угол. После разрушения породы на глубину 0,3 ... 0,6 м буровой снаряд поднимают из скважины, а затем в нее опускают желонку для очистки забоя от породы. При необходимости скважину крепят обсадными трубами. Ударно-канатным способом можно бурить скважины диаметром 150 ... 850 мм в породах любой твердости на глубину до 500 м.