5.2 Бурение

Задачей разведочных работ при инженерно-геологических исследованиях является изучение геологического строения и свойств горных пород. Разведочные работы осуществляются путем бурения скважин, проходки горных выработок, производства геофизических и некоторых других исследований.

При бурении применяются следующие основные способы: ударно-канатный, ударно-вращательный, колонковый, вибрационный и шнековый, в редких случаях используется также роторный способ. Во всех этих способах процесс бурения механизирован, лишь при ударно-вращательном бурении применяется в ряде случаев ручной труд, хотя созданы механические станки и для этого способа бурения.

Применение того или другого способа бурения определяется следующими основными условиями:

1. Ударно-канатное бурение рекомендуется применять для разведки различных рыхлых пород, скальных и полускальных, а также в случаях, когда не требуется изучение структуры и механических свойств пород;

2. Ударно-вращательное бурение можно применять в тех же случаях, что и ударно-канатное, но только в рыхлых породах; большим недостатком ручного бурения является его низкая производительность и высокая трудоемкость;

3. Колонковое бурение используют в скальных и полускальных породах, его можно применять также в плотных связных и рыхлых породах при условии использования глинистой промывки;

4. Вибрационный метод, как весьма производительный, применяется для проходки рыхлых пород, не содержащих значительной примеси крупнообломочного материала; применение его механических характеристик пород в естественном состоянии;

5. Шнековое бурение также весьма производительно, но не обеспечивает точной характеристики разреза, его следует применять в случаях требующих вскрытия забоя на более или менее значительную глубину без подробного изучения проходных пород;

6. Роторное бурение имеет в общем те же достоинства и недостатки, что и шнековое, но по экономическим соображениям оно применяется лишь при требовании больших диаметров скважин (более 250 мм) и их значительной глубине (свыше 100 м).

Колонковое разведочное бурение с промывкой водой, глинистым раствором или продувкой воздухом является одним из наиболее широко распространенных способов проходки скважин.

В основе колонкового бурения лежит способность более твердых тел при известных условиях внедрятся и разрушать менее твердые тела. При колонковом бурении может происходить поверхностное разрушение, объемное разрушение, усталостное разрушение. Мягкие, пластичные породы разрушаются в основном резанием, а твердые и хрупкие – сжатием, раздавливанием, скалыванием и отрывом.

Различают следующие виды колонкового бурения: алмазное, твердоплавными коронками и дробовое. 90% всего объема колонкового бурения выполняют твердосплавными коронками и дробью.

Дробовое бурение осуществляется чугунной, стальной и смешанной дробью. Алмазное бурение, обладающее очень высокими механическими скоростями, относится к числу наиболее перспективных видов колонкового бурения.

Основными преимуществами колонкового бурения являются:

• Универсальность;

• Возможность получения керна;

• Сравнительно большие глубины бурения;

• Наличие большого парка выпускаемых промышленностью высокопроизводительных буровых станков;

• Хорошая освоенность технологии бурения;

Одной из разновидностей колонкового бурения является так называемое безнасосное бурение, которое нашло довольно значительное распространение на инженерных изысканиях. Оно применяется, когда требуется получить высокий процент выхода керна и достаточно сохранную структуру грунта.

Роторное бурение на инженерных изысканиях наибольшее распространение получило для гидрогеологических исследований и проходки скважин на воду.

Роторный способ позволяет бурить практически на любую глубину. Бурение можно производить с прямой и обратной промывкой, а также с продувкой воздухом.

Всасывающее бурение, или бурение с отсасыванием грунта в промышленном объеме впервые начали применять в ФРГ и США для сооружения свайных оснований и колодцев.

Сущность способа состоит в том, что в процессе бурения промывочная жидкость самотеком поступает из отстойника в затрубное пространство между бурильными трубами и стеками скважины и вместе с разбуренной породой отсасывается либо центробежным насосом, либо эрлифтом, либо водоструйным насосом. Гидростатическое давление воды удерживает стенки скважин от обрушения.

Роторное бурение с продувкой сжатым воздухом имеет ряд существенных преимуществ перед промывочным. Он значительно увеличивает скорости проходки скважин, сокращает расход буровых наконечников и т.д. Однако бурение с продувкой воздухом имеет и существенные недостатки: возможность осложнений при проходке глинистых и суглинистых пород вследствие образования сальников; высокие давления при проходке напорных водоносных горизонтов; необходимость обязательного перекрытия вышележащих водоносных горизонтов промежуточными колоннами труб; большой расход сжатого воздуха и труб.

Шнековый способ проходки скважин является разновидностью вращательного бурения. Преимуществами шнекового способа являются высокая механическая скорость бурения; незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции; возможность сплошного отбора керна при использовании полных шнеков; не требуется вода для промывки. К недостаткам можно отнести большой расход мощности, ограниченность применения, трудность проведения качественной геологической документации.

Шнековый способ можно использовать только при отсутствии крупных валунов, а также при бурении неглубоких скважин.

На инженерных изысканиях шнековое бурение с успехом можно применять для решения целого ряда задач: инженерно-геологической съемки, изыскания трасс при линейном строительстве и др.

Ударно-канатное бурение сплошным забоем является наиболее изученным и наиболее разработанным способом проходки скважин. В то же время он обладает малой производительностью при низких экономических показателях.

Использование ударно-канатного бурения в значительных объемах для гидрогеологических изысканий объясняется следующими его принципиальными преимуществами: большим диаметром скважин, возможностью производить процесс бурения без глинизации скважины глинистым раствором и сохранение прямолинейности ствола скважины. К недостаткам этого способа следует отнести: низкие механические и коммерческие скорости бурения, сложную конструкцию скважин, большой расход обсадных труб, трудность проходки скальных пород, невозможность получения образцов ненарушенной структуры и др.

Вибрационное и виброударное бурение относятся к числу наиболее перспективных способов проходки скважин на инженерных изысканиях. Обладая высокой производительностью, этот способ позволяет вести высококачественную геологическую документацию исследуемого разреза и в то же время в ряде разновидностей грунтов позволяет отбирать образцы ненарушенной структуры.

Недостатками вибрационного бурения являются ограниченная область применения, низкий процент чистого бурения, трудоемкость процесса очистки буровых зондов, невозможность использования для отбора монолитов в макропористых грунтах и др.

На инженерных изысканиях вибропогружатели могут быть рекомендованы для бурения неглубоких скважин в мягких породах; забивки труб в процессе проходки скважин; извлечения труб после окончания бурения скважин; ликвидации аварий на буровых скважинах.

На практике мы ознакомились с самоходной буровой установкой УРБ-2А-2, технические характеристики которой:

• Глубина бурения – 100 м

• Начальный диаметр скважины – 190 мм

• Частота вращения – 140, 225, 325

• Тип подачи – канатная

• Скорость подачи – 0,6-1,1 м/с

• Длина хода подачи – 8370 мм

• Принудительная нагрузка на инструмент – 26 кН

• Высота мачты – 4500 мм

• Угол наклона мачты от горизонта 90°

• Габариты в транспортном положении 8820х2450х3770 мм.

• Масса установки 10080 кг.

• В том числе монтируемого оборудования – 4370 м

Все механизмы, входящие в установку, в том числе промывочный полос или компрессор, мачта с вращателем и механизмом подачи инструмента, пульт управления вмонтирован на собственной раме, прикрепленной к шасси автомашины повышенной проходимости ЗИЛ-131.

Изготовитель: Свердловский машиностроительный завод им. Воровского.