Бурение скважин и шпуров

Тема 8. Буровые и свайные работы

Бурение в водопроводном строительстве выполняют в це­лях устройства скважин для водоснабжения и водопонижения, бестраншей­ной прокладки трубопроводов (горизонтальное бурение), взрывания грун­тов, геологических и гидрогеологических изысканий, устройства буронабивных 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.

Процесс бурения скважин состоит из двух операций - разруше­ния или отделения породы на дне скважины и удаления разрушенной поро­ды из нее.

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). 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 (рис. 8.1, а). 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 также буровую дробь с дробовыми коронками. Применяют также кернорватели, предназначенные для отрыва керна и удержания его в колонковой трубе при подъеме бурового снаряда. Колонковое бурение применяют в основном при разведке полезных ископаемых и геологических изысканиях.

При роторном бурении (рис. 8.1, б) вращение бурового снаряда осуществляют ро­тором, устанавливаемым над устьем скважины, а при турбинном (рис. 8.2) породоразрушающий инструмент вращают турбины, опускаемые на забой скважины вместе с долотом на колонне бурильных труб. 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.

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.

Транспортирование на поверхность измельченного грунта осуществляют двумя методами: гидравлическим, при котором грунт удаляется путем вымывания его водой, направляемой в выработку под давлением, и сухим, когда измельченный грунт удаляют сжатым воздухом или шнеком.

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 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 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.