Методи буріння водозабірних свердловин критерії вибору

Під час будівництва приватних малоповерхових будинків та котеджів особливо гостро постає питання підведення комунікацій. Однак якщо з підключенням газу та електрики не виникає, як правило, особливих труднощів, то питання водопостачання набуває характеру першорядної важливості, особливо у разі неможливості підключення до централізованої водопровідної магістралі. Зрозуміло, можна скористатися випробуваним «дідівським» способом і викопати поряд з будинком колодязь, проте це навряд чи буде найкращим рішенням. Вода в дрібних колодязях часто не відповідає санітарним нормам, а її обсяги та якість сильно піддаються сезонним коливанням.

Вибір способу буріння свердловини залежить від гідрогеологічних та інженерно-геологічних умов місцевості.

Оптимальним варіантом у разі автономного водопостачання буде буріння свердловин під воду. Свердловина дозволить споживати якісну воду в майже необмеженій кількості, причому незалежно від сезону. В даний час використовуються різні методи буріння свердловин під воду, кожен з яких має певні переваги і недоліки. Вибір методу буріння безпосередньо залежить від цілого ряду факторів, серед яких:

цільове призначення свердловини;
потенційні обсяги водозабору;
геолого-гідрогеологічні умови місцевості;
техніко-економічні показники;
глибина та діаметр свердловини.

Вибір методу буріння свердловин обумовлює в результаті їх довговічність, швидкість подачі та якість води, ступінь засмічування фільтрів і т.д.

Тому питання вибору способу буріння слід поставитися з усією серйозністю.

Класифікація

Залежно від глибини та діаметра всі водозабірнісвердловини поділяються на 3 основних типи:

Дрібна свердловина, глибиною до 10 м та діаметром 3-5 см. Використовується переважно для господарсько-побутових потреб та для поливу. Вода з таких свердловин вимагає обов'язкової фільтрації через велику кількість домішок.
Свердловина середньої глибини, до 30 м, та діаметром від 5 до 12 см. Найпоширеніший тип водозабірних свердловин. При терміні служби до 20 років і робочому тиску води близько 3-5 м³ на годину є оптимальним варіантом у фінансовому відношенні.
Глибока свердловина, глибиною до 150 м та діаметром до 35 см. Вода в таких свердловинах найбільш чиста завдяки додатковій фільтрації. Термін служби глибокої свердловини може сягати 50 років.

Враховуючи глибину і напрямок буріння, а також характер порід, що проходять, можна виділити і такі різновиди свердловин, як:

свердловина на пісок;
свердловина на вапняк;
абіссінська криниця;
артезіанська свердловина.

Одним з найпростіших і порівняно дешевих видів водозабірних свердловин є так звана абіссінська криниця. Проходження шарів грунту тут здійснюється шляхом послідовного забивання труб діаметром до 5-6 см, з'єднаних між собою за допомогою різьбового герметичного з'єднання за допомогою спеціальних муфт. На кінці першої труби встановлюють конусоподібний наконечник дещо більшого діаметра, що дозволяє зменшити тертя труби про ґрунт. Термін служби абіссінських колодязів може досягати 30 років, швидкість подачі води на поверхню – від 10 до 30 літрів за хвилину.

Артезіанські свердловини облаштовуються переважно в вапнякових породах. Пояснюється це тим, що у вапняних водоносних шарах присутність води є гарантованою в будь-якому.у випадку, незалежно від місцевості та сезонно-кліматичних умов. Глибина свердловини артезіанського типу може становити від 50 до 450 м-коду залежно від гідрогеологічних умов місцевості. Характерною особливістю артезіанських свердловин є їхня здатність до самовиливу, тому воду з них можна відкачувати зі швидкістю до 5 м³ на годину, що значно перевищує цей показник для свердловин на пісок.

Основні принципи

В даний час для буріння водоносних свердловин використовують два основні принципи:

Схема оптимального розташування устаткування гідробуріння.

ударний;
обертальний.

Ударне буріння характером проходження порід є буріння суцільним вибоєм. Залежно від способу передачі зусилля від силового агрегату буровому наконечнику розрізняють:

ударно-штанговий метод;
ударно-канатний метод.

Ударно-штанговий метод

Ударно-штангове буріння здійснюється за допомогою передачі ударного навантаження на наконечник за допомогою штанг - металевих лозин діаметром 16-22 мм. Удари штангою наносяться безпосередньо на буровому наконечнику, що дозволяє уникнути деформації різьбових з'єднань обсадних труб. Даний метод використовують у випадках, коли неможливе підведення води до бурової установки, в умовах крайньої півночі та у важкодоступних місцевостях.

Ударно-канатний спосіб

Ударно-канатне буріння займає багато часу і потребує великих трудовитрат.

Ударно-канатне передбачає використання гнучкої передачі ударного навантаження на наконечник за допомогою каната (троса). Цей метод використовувався ще в Стародавньому Китаї, коли з певної висоти скидався важкий конусоподібний вантаж,грунт, що ущільнював і розсовував. В даний час як наконечник при ударно-канатному бурінні використовують так звані желонки і забивні склянки. Желонка має спеціальний клапан, за допомогою якого утримується ґрунт, що вибирається зі свердловини. У склянці порода утримується з допомогою сили тертя.

Желонка використовується переважно для буріння пухких піщаних ґрунтів, забивна склянка – для розробки глинистих ґрунтів та суглинків. Даний спосіб дозволяє обладнати досить глибокі свердловини глибиною до 300 м. Найбільш глибокі свердловини, розроблені ударно-канатним способом, мають поздовжньому розрізі телескопічну структуру, що звужується в міру поглиблення.

Обидва ці різновиди ударного буріння аж ніяк не позбавлені недоліків. Буріння ударним методом - процес тривалий і досить трудомісткий через малу глибину проходки. Крім того, ущільнення стінок свердловини в процесі проходження сильно знижує питому водовіддачу ґрунту. Проте цей спосіб дуже поширений, оскільки передбачає мінімальне використання спеціальної техніки і може бути застосований за найнесприятливіших умов.

Набагато більшу продуктивність мають різні методи обертального буріння, серед яких основними є:

роторне буріння;
шнекове буріння.

Роторний варіант

Метод роторного буріння свердловин простий і доступний закладки свердловин вручну.

Роторне буріння широко застосовується для буріння свердловин і є обертальним бурінням суцільним вибоєм. Даний метод полягає в проходженні ґрунту обертовим буром і подальшому видаленні зруйнованої породи за допомогою подачі води. У напрямку циркуляції промивного розчину та виведення шламу зі свердловини розрізняютьнаступні різновиди роторного буріння:

із прямим водотоком;
із зворотним водотоком.

При бурінні роторним методом із прямим водотоком вода під тиском через штанги та бурильні труби подається безпосередньо в зону буріння. Потім разом з частинками зруйнованої породи вода піднімається до гирла свердловини і по лотку прямує в заздалегідь обладнаний відстійник. Як промивна рідина використовують зазвичай розчини глини або інших клеючих речовин різної щільності, що дозволяють зміцнити стінки свердловини.

При бурінні із застосуванням зворотного промивання розчин самостійно надходить із відстійника в зазор між стінками свердловини та бурильними трубами і досягає вибою. Потім за допомогою насоса, розташованого на поверхні, вода разом із частинками породи через отвори в бурі піднімається до гирла і через шланги відводиться у відстійник.

Буріння роторним методом як із прямим, так і зі зворотним водотоком, можна здійснювати на досить велику глибину без опади, оскільки стінки свердловини утримуються від обвалення надлишковим тиском стовпа води.

Роторне буріння з промиванням має низку характерних переваг у порівнянні з методами ударного буріння. Це і висока швидкість проходження, і порівняно мала витрата обсадних труб, можливість буріння свердловин досить великого діаметра.

Роторно-турбінний метод

Обертальним методом із прямою подачею промивного розчину є і так званий роторно-турбінний метод буріння свердловин. У цьому випадку до бурової колони підключаються два спарених турбобура, що приводяться в рух напором рідини, що надходить зверху. При цьому досягається найбільш рівномірне проходження ґрунту всередині всього забійного простору.

Гідродинамічний спосіб

Розробка свердловин можлива і без бура (долота). Таким є зокрема так зване гідробуріння. Полягає воно у вузькоспрямованій подачі струменя води під великим тиском у точку, намічену під розробку. Процес цей досить швидкий, але має недоліки. Вибір гідродинамічного методу може бути доцільний тільки на пухких ґрунтах - пісках та супесях. При виході на глинисті чи вапнякові горизонти виникають відповідні проблеми. Крім того, глибина свердловин, пробурених у такий спосіб, не може перевищувати 15 м.

Етапи бурошнекового буріння.

Шнекове буріння здійснюється без використання розчину для промивання і застосовується при розробці свердловин на глибину до 50 м (у рідкісних випадках - до 80 м). Шнек є конструкцією, звареною зі сталевої труби і закрученої навколо неї стрічки гвинтоподібної форми. На кінці труби закріплений породоруйнівний елемент - бур або долото з двома або трьома різцями. При обертанні шнека зруйнована порода гвинтовою напрямною піднімається нагору і виводиться у відвал. Це називається бурінням «всуху».

На проблемних та погано вивчених ґрунтах можливе одночасне використання двох або більше методів (наприклад, ударно-канатний у поєднанні з роторним). Подібні способи буріння свердловин називаються комбінованими.

Критерії вибору

Основними критеріями вибору методу буріння свердловин є гідрогеологічні умови місцевості, рівень залягання ґрунтових вод, цільове призначення свердловини та інші фактори. Здійснюючи вибір технології буріння, насамперед необхідно оцінити якісний склад ґрунту та передбачувану глибину майбутньої свердловини.

Так, при бурінні піщаних та гравійно-галечникових ґрунтів на глибину до 100 м при діаметрісвердловини до 20 см цілком підійде шнековий метод. Ударно-канатний спосіб є найбільш підходящим для піщаних і твердоскальних ґрунтів за умови заглиблення вибою не більше ніж на 150 м. Та ж технологія з використанням склянки забивної може бути виправдана на глинистих грунтах і суглинках.

Роторний метод із прямим водотоком підійде розробки як піщаних і текучих пластичних грунтів, так найбільш твердих скельних порід. Роторний спосіб із застосуванням зворотного промивання буде оптимальним на пухких ґрунтах при глибині шахти вибою аж до 500 м та діаметрі до 1 м.

На проблемних ґрунтах із чергуванням шарів різної щільності доцільно застосовувати комбіновані методи, наприклад, ударно-канатний — у пухких водонесучих горизонтах на глибині до 150 м, та роторний — у безводних щільних шарах на глибині понад 150 м.

У будь-якому разі приступати до організації свердловини потрібно лише після ретельної та всебічної оцінки конкретної окремо взятої ситуації.