16302C

5.4.1 Бурение скважин

Бурение. Для получения данных о строении горных пород на глубине и отбора образцов для лабораторных исследований бурят скважины вручную или механическим путем буровыми самоходными установками.

Бурение выполняют комплексом оборудования, в который входят:

- буровая вышка и буровой станок;

- набор буровых инструментов, наконечников различного назначения в зависимости от вида грунта;

- комплект металлических штанг – полые трубы различного диаметра;

- оголовник – своеобразный «хомут», который крепится в устье скважины и оберегает ее от осыпания грунта при подъеме инструмента. При ручном бурении оголовник обычно не применяется.

Наконечник крепится на штанге, второй конец которой закрепляется в роторе установки или через блок вышки выводится на лебедку. По мере углубления инструмента в породу штанги наращивают, а при смене вида грунта меняют тип наконечника.

После окончания бурения скважину тампонируют – засыпают грунтом с уплотнением так, чтобы на поверхности не оставалось следов после бурения.

Проходка скважин в слабых и водонасыщенных грунтах затруднена вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют обсадные трубы, которые опускают в скважину, а дальнейшее бурение выполняют наконечником меньшего диаметра.

Результаты бурения заносят в буровой журнал и строится буровая колонка.

При инженерно-геологических исследованиях применяют следующие виды бурения скважин: ручное ударно-вращательное, вращательно- колонковое и вибрационное.

Ручное ударно-вращательное бурение. Инструменты. Ручное бурение (видео 5.2) проводится на застроенных территориях, а также при трассировании автомобильных дорог и трубопроводов. Применяется в нескальных грунтах при мелком (10-15 м, реже 30 м) бурении. Имеет низкую производительность и высокую трудоемкость, поэтому применяется в крайне ограниченном объеме.

Наконечниками могут быть инструменты: змеевик, шнек, стакан, ложка и желонки. Для проходки полускальных пород применяют долота с утяжелителями.

Змеевик и шнек используют в глинах и суглинках. Они имеют форму спирали, внизу – режущее лезвие типа «рыбий хвост». Змеевик ввинчивается в породу как штопор. При подъеме порода удерживается между лопастями. Если змеевик имеет лопасти на длину первой штанги - инструмент называют шнеком.

Видео 5.2 - Ручное ударно-вращательное бурение:

https://youtu.be/trFz05Ys_Cs

Видеофильм 6 мин. 23 сек.

Стакан – в виде тонкостенного вкладыша находиться внутри корпуса бурового инструмента. Для удобства при извлечении кёрна (образца грунта) внутри стакана помещается разъемная гильза. Порода в стакане удерживается силой трения, а при подъеме применяют дополнительные устройства.

Буровая ложка используется при вращательном бурении как шнек и змеевик. Применяется в глинах, песках, суглинках, супесях. При вращении порода срезается и заполняет цилиндр.

Желонки – это полые трубы, имеющие на одном конце клапан (шарик или тарелочка), а на другом заушины и резьбу для крепления штанги.

Используют желонки для водонасыщенных песков, разжиженных супесей и глин. При опускнии и поднятии желонки в скважине, она заполняется грунтовой пульпой. При подъеме желонки порода закрывает клапан. На поверхности через заушины породу смывают водой. Затем после отстаивания определяют вид грунта.

Долота при инженерно-геологических изысканиях применяют довольно редко: при проходке полускальных грунтов, реже - скальных грунтов. Тяжелым долотом ударяют на забое скважины, чтобы измельчить породу, а затем ее «вычерпать» ложкой.

Грунтоносы применяются для отбора образцов ненарушенной структуры.

Глубокое бурение. При картировании и инженерно - геологическом районировании регионов и инженерно-геологических областей, а также при решении вопросов водоснабжения, для построения глубоких опорных разрезов применяют глубокое зондирование, т.е. разные виды и методы бурения: колонковое, вибрационное, шнековое и др. Кроме того, такие скважины используются для проведения опытных работ, для наблюдения за уровнем грунтовых вод и др.

Вращательно-колонковое бурение – это бурение с кольцевым забоем, которое производится как в прочных и крепких породах, так и в глинистых грунтах.

В глинистых породах используют наконечники специализированной конструкции – грунтоносы, диаметром не менее 100-125 мм, что дает возможность получить образцы грунта ненарушенной структуры.

При бурении в скальных породах наконечником служит буровая коронка, которая сверху соединяется с колонковой трубой, имеющей длину 100 м и более, а та в свою очередь – со штангами. Для бурения в прочных породах в гнездах коронки помещаются алмазы, а при бурении в средних по твердости – твердые сплавы (обычно победит). Для разрушения пород забоя может быть использована чугунная буровая дробь. В процессе бурения колонковая труба заполняется кёрном.

Во время бурения на забое образуется много пыли (шлама), которую необходимо постоянно удалять. Удаление шлама из скальных и полускальных монолитных и слабо трещиноватых пород производится путем промывки забоя водой, реже – продувкой воздухом. В скальных и полускальных трещиноватых кавернозных породах для промывки применяют глинистый раствор.

Глубина скважин при колонковом бурении для инженерно-геологических целей обычно не превышает 100 м, диаметр скважины чаще всего от 33 до 168 мм.

Вибрационное бурение. Вибробурение - один из наиболее производительных способов бурения. Этим методом можно производить проходку во многих осадочных породах. Бурение обводненных песчаных пород и глинистых пород пластичной и текучей консистенции рекомендуется выполнять вибратором, а глинистых пород твердой и полутвердой консистенции, плотных песчаных пород и крупнообломочных отложений - вибромолотом.

При вибробурении невозможно отобрать пробы глинистых пород ненарушенной структуры, т.к. они меняют свое физическое состояние. При этом способе почти не удается определить уровень грунтовых вод.

Глубина скважин обычно колеблется в пределах 15-20 м, диаметр скважин от 108 до 212 мм.

Шнековое бурение широко применяется в некоторых типах рыхлых пород, например, в широко распространенных на территории г. Барнаула лессовых породах (видео 5.3). У этого способа имеется ряд недостатков: трудно установить уровень грунтовых вод и границы различных слоев, образцы имеют нарушенную структуру.

Шнеки представляют собой штанги, на поверхности которых навита стальная спираль. При соединении шнеков в буровой снаряд образуется непрерывный винтовой транспортер для извлечения грунта из скважины.

Глубина скважин обычно не превышает 30 м, диаметр от 125 до 230 мм.

Видео 5.3 - Шнековое бурение: https://youtu.be/Ex-LTBiZuZY

Видеофильм 3 мин. 21 сек.

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 погружаемых водоподъемных средств.

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

Роторный способ – это вращательное бурение сплошным забоем, с промывкой или продувкой воздухом, с вращателем (ротором) на поверхности (видео 5.4). Роторное бурение используют для бурения скважин любой глубины (обычно более 150 м) на водоносные горизонты, ранее хорошо изученные и опробованные. Преимуществом этого способа является высокая скорость бурения. Порода на забое разрушается полностью с помощью шарошечных долот. К недостаткам способа можно отнести глинизацию стенок скважин при бурении с глинистым раствором и невозможность получения качественной геологической документации.

Ударно-канатное бурение применяют в районах с недостаточной гидрогеологической изученностью, оно позволяет вести тщательное геологическое и гидрогеологическое описание. Глубина бурения в нескальных породах до 100-150 м, в скальных - на большую глубину. Скорость бурения ударно-канатным способом значительно уступает роторному, глубина скважин до 200-300 м.

Так же широко применяют комбинированный способ бурения (ударно-канатный и роторный).

Видео 5.4 - Роторный способ бурения: https://youtu.be/zhYRqnvi_S4

Видеофильм 6 мин. 04 сек

Скважины очень большого диаметра (до 1000 мм и более) и глубиной не менее 200 м бурят реактивно-турбинным способом с вращателем на забое.

Результаты любого вида бурения заносятся в буровой журнал и используются при построении колонок буровых скважин. Классификация скважин по назначению приведена в таблице 5.3.

Таблица 5.3 – Классификация скважин по назначению

Тип скважины	Диаметр, мм	Назначение	Виды работ в скважинах
зондировочные	33-190	Установление границ распространения насыпных, заторфованных, мерзлых грунтов, определение уровня грунтовых вод	Наблюдение за уровнем грунтовых вод
разведочные	110-219	Детальное изучение геологического разреза, текстурных и структурных особенностей породы, определение плотности сложения и консистенции	Наблюдение за уровнем подземных вод, каротаж, прессиометрия, испытания на срез
технические	110-219	Отбор монолитов	То же
инженерно - гидрогеологические	110-425 и больше	Изучение гидрогеологических условий строительства и эксплуатации сооружений	Опытно - фильтрационные работы – откачка, определение скорости и направления движения подземных вод, режимные наблюдения, каротажные работы
опытные	33-2000	Полевые исследования состояния и свойств породы	Испытание породы штампами, на срез, прессиометрия, искиметрия, каротаж, нагнетание воздуха, цемента