Технология сооружения скважин на воду

Бурение скважин на воду производится специализированными объединениями или строительными организациями в соответствии с действующими техническими норма­ми и правилами их проектирования и сооружения. Способ бурения определяют в зави­симости от глубины залегания водоносного пласта, принятого в эксплуатацию, гидроге­ологических и местных условий. В маловодных и безводных районах с ограниченными возможностями подвоза воды при наличии рыхлых, валунно-галечниковых, полускаль­ных и песчаных грунтов при глубинах скважин до 50-500 м экономически выгоднее ис­пользовать ударно-канатный способ бурения.

При таком способе бурения породу забоя разрушают ударами бурового снаряда, вес которого достигает 1,5 т (рис. 8.18, а). Разрушения грунта достигают многократным подъемом и сбрасыванием с высоты 0,5-1,0 м снаряда на забой с помощью бурового аг­регата. Число ударов снаряда за минуту достигает 40-50. Разбуренную породу удаляют из забоя с помощью специальных желонок (полых труб с клапанами или без них), кото­рые опускают многократно в скважину, подняв из нее предварительно ударную штангу и долото. Тип долот (зубильное, крестовое, двутавровое, округляющее) и тип желонок (с плоским клапаном, поршневая с ножом) подбирают в зависимости от твердости и ви­да породы. Этот способ позволяет опробовать все встречающиеся по разрезу водонос­ные горизонты, не требует воды и специального глинистого или иного бурового раство­ра. Им можно бурить скважины с начальным диаметром до 600-2000 мм. Однако ско­рость такого бурения невелика, зависит от твердости разбуриваемых пород, веса буро­вого снаряда, высоты его падения на забой, диаметра скважины, числа ударов в едини­цу времени и обычно колеблется в пределах от 1,6-5 м/ч.

В табл. 8.13 приведены основные технические характеристики наиболее часто при­меняемых отечественных и некоторых зарубежных установок для ударно-канатного бу­рения.

Буровая установка БУГ-100М, разработанная в Гидропроекте, позволяет осуществ­лять ударное бурение в сочетании с вращением обсадной колонны. Вышка башенного типа позволяет использовать одно- и трехструнную талевую оснастку, поднимается и опускается с помощью лебедки станка.

На некоторых установках ударно-канатного типа зарубежного производства в каче­стве породоразрушающего инструмента используются грейфер и специальные желонки (Супер ЭДФ-55 Беното, Франция) или долота и грейферы (20ТН и 50ТН, Япония). По­следние типы установок, изготавливаемые японской фирмой "Като", приспособлены для ударно-канатного и роторного бурения с прямой и обратной промывкой.

Для сооружения скважин большой глубины (0,2 км и более) в благоприятных гид­рогеологических условиях при наличии поблизости воды и качественного состава гли­ны и других промывочных растворов (или при экономически обоснованной доставке их из других районов) используют роторный способ бурения. Суть его состоит в разруше­нии пород инструментом, который вращается вокруг оси с одновременным созданием вертикальной нагрузки за счет веса бурового снаряда. Разбуренная порода непрерывно выносится из скважины восходящим потоком рабочего глинистого или иного раствора, который подается по бурильным трубам грязевым насосом (рис. 8.18, б).

Рис. 8.18. Схема ударно-канатного (а) и роторного (б) буре­ния: 1 — буровой сна­ряд; 2 — скважина; 3 — канат; 4 — мачта с талевыми блоками; 5 — система ударно-подъемного механиз­ма; 6 — лоток циркуля­ционной системы; 7 — отстойник глинис­того промывного рас­твора; 8 — кондуктор; 9 — ротор; 10 — верт­люг-сальник; 11 — грязевой насос

Таблица 8.13.

С увеличением глубины скважины буровой снаряд, поддерживаемый с помощью канатов и лебедки, опускается и постепенно наращивается новыми бурильными труба­ми. Преимуществом этого способа является его значительно большая скорость бурения по сравнению с ударно-канатным. Однако при таком способе происходит частичная кольматация водоносных пластов глинистым раствором, что приводит к сокращению их водоотдачи.

Технические характеристики установок роторного бурения приведены в табл. 8.14. Функции породоразрушающих инструментов выполняют лопастные долота режуще-скалывающего и режуще-истирающего типа (используемые для разбуривания мягких и средней твердости пород) и шарошечные долота с двумя или тремя шарошками, дробя­щие и скалывающие твердые и абразивные породы.

Таблица 8.14

Технические характеристики установок роторного бурения

Технология бурения включает в себя процессы забуривания устья скважин при ма­лой частоте вращения бурового снаряда и расходе промывочной жидкости до 1,5 л/с; монтаж направляющей трубы к ее центру; непосредственно проходку ствола скважины до забоя с соблюдением оптимальных осевых нагрузок на породоразрушающий инстру­мент, частоты вращения бурового снаряда, расходов промывочных жидкостей под необходимым напором; выполнение спуско-подъемных операций и крепление стенок скважины.

При роторном способе бурения с прямой промывкой глинистыми растворами удельный дебит скважин снижается из-за частичного заполнения порового пространства прифильтровой зоны раствором. При сооружении скважин большого диа­метра таким способом сложно достичь требуемых режимов бурения и вскрытия водо­носных пластов. В связи с этим все более широкое применение находит бурение с об­ратной промывкой. Схемы такого бурения с использованием центробежных вакуум-на­сосов и эрлифтов показаны на рис. 8.19.

Преимуществом способа бурения с обратной промывкой является увеличение в 10-15 раз скорости бурения в аналогичных геологических и гидрогеологических условиях по сравнению с прямой промывкой, возможность сооружения скважин с конечным диаметром до 1,5 м, предотвращение глинизации водоносных горизонтов в результате замены глинистого раствора на обычную воду.

Рис. 8.19. Схема роторного бурения с обрат­ной промывкой, а) с использованием вакуум насосов; б) с использованием эрлифта; 1-до­лото; 2-бурильная труба; 3-воздушная труба; 4-сливной рукав; 5-вакуумный насос; 6-ваку-умный бак; 7-центробежный насос; 8-отстойник

При таком способе бурения вода из от­стойника поступает самотеком по кольцевому пространству, образуемому бурильной колон­ной и стенками скважины, в забой, захватыва­ет разбуренную породу и через отверстия в долоте транспортирует ее в шламовое отделе­ние отстойника на поверхности земли. Подъ­ем разбуренной породы на поверхность осу­ществляется за счет создания вакуума в рабо­чей трубе или с помощью эрлифта (рис. 8.19).

Для сооружения скважин с обратной промывкой используют переоборудованные станки для роторного бурения УРБ-ЗАМ-ОП, 1БА-15В-ОП (табл. 8.11), а также специальные установки для геологического, удар­но-канатного и шнекового бурения УШБМ-16-ОП, УГБ-ЗУК-ОП. Из зарубежных уста­новок для бурения с обратной промывкой на­иболее известными являются немецкие уста­новки SW-200, L-2,10, PS-150; K2/S-Ю0, K6/S-250, румынская FA-12.

Для сооружения скважин диаметром 60-400 мм в мягких породах на глубину до 50-80 м в отдельных случаях применяют шнековое бурение (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Схемы колонко­вого (а) и шнекового (б) бу­рения: 1 — привод; 2 — фраг­мент мачты; 3 — вращатель; 4 — буровой снаряд; 5 — ка­нат; 6 — вертлюг-сальник; 7 — лебедка; 8 — элементы приготовления, транспорти­ровки и отстоя глинистого раствора

При таком способе бурения порода разрушается с помощью лопастных, шарошечных и колонковых долот, а транспортируется на поверхность шнеком. Наибольшее рас­пространение получила установка для шнекового (гидрогеологического бурения) УГБ-1ВС, позволяющая сооружать скважины глубиной до 50 м с начальным диаметром до 250 мм (табл. 8.15).

Таблица 8.15

Технические характеристики установок для колонкового и шнекового бурения

Для сооружения скважин на воду в скальных породах с диаметром до 300 мм и глубиной до 500 м, а также в тех случаях, когда необходимо получить данные для опреде­ления геологического разреза при разведывательном бурении, применяют колонковый способ бурения.

Отличительной особенностью буровых инструментов для колонкового бурения яв­ляется конструкция специальных алмазных, твердосплавных, дробовых колонок, разру­шающих при вращении бурового снаряда породу по кольцевой канавке и оставляющих при этом неразрушенный столбик породы (керн), входящий по мере заглубления буро­вого снаряда и колонковую трубу (рис. 8.20, а). Керн подрывают специальным инстру­ментом — кернорвателем и извлекают на поверхность земли вместе с буровым снарядом.

В процессе бурения стенки скважин закрепляют колонной стальных, а при неболь­ших глубинах (до 50 м) — чугунных или асбестоцементных труб. На рис. 8.21 изображе­ны характерные конструкции скважин при заборе воды из песчаных и меловых трещи­новатых пород, сооруженных роторным и ударно-канатным способами бурения.

В практике бурения скважин роторным или колонковым способами затрубное пространство (зазор между стенками скважины и обсадными трубами) цементируют. Суще­ствуют несколько способов цементирования. Наиболее распространенным является способ с двумя пробками (рис. 8.22).

После промывки и установки нижней пробки проводят закачку необходимого объ­ема цементного раствора и устанавливают верхнюю пробку. Затем осуществляют продавливание цементного раствора в затрубное пространство. После того как верхняя пробка дойдет до конца «стоп», давление на манометре резко повышается, что служит окончанием цементации. В качестве продавочной жидкости обычно используют глинистый раствор. При цементировании учитывают количество закачиваемой прокачивае­мой жидкости, чтобы до прокачки оставшихся 0,5-1,0 м³ перейти на работу с одним на­сосом и избежать гидравлического удара в системе труб.

Рис. 8.21. Конст­рукции скважин ударно-канатного и роторного буре­ния, оборудован­ных фильтра­ми (а, в) и бес­фильтровых (б)

Перед цементированием для улучшения сцепления цементного камня со стенками скважины ее целе­сообразно промыть водой.

После окончания цементирова­ния колонну оставляют в покое на 24 часа, после чего испытывают на герметичность.

Объем цементного раствора , необходимый для цементирования скважины, определяют по формуле:

где К — коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного рас­твора за счет наличия трещин, каверн и увеличения диаметра скважины при бурении, К= 1,2-2,5; h — интервал це­ментирования (высота подъема цементного раствора), см; D — диаметр с бурения, см; dн, dв — соответственно наружный и внутренний диаметры об­садных труб, см; h₀ — высота цементного стакана в обсадных трубах, см.

Рис. 8.22. Схема цементирования с двумя пробка­ми: а — скважина заполнена промывочной жидкос­тью 2, в колонну введена нижняя пробка 1, начинает­ся закачка цементного раствора в колонну; б — после закачки требуемого объема цементного раствора 6 устанавливается верхняя пробка 5, цементный рас­твор продавливается до стоп-кольца 3; в — цементный раствор выдавлен в затрубное пространство; г — об­садные трубы 4 опущены на забой

Важным показателем в процессе является скорость подъема цементного раствора. Необходимо создать турбулентный режим движения раствора в затрубном пространст­ве, при котором будет происходить наиболее полное вытеснение глинистого раствора.

Для кондукторов и промежуточных обсадных колонн скорость цементного раство­ра должна быть не менее 1,5 м/с, а для эксплуатационных колонн — не менее 1,8-2,0 м/с. При возникновении опасных поглощений цементного раствора скорости восходящего раствора снижают.

Производительность растворного агрегата 2_Ч„ должна удовлетворять условию:

где V — скорость подачи цементного раствора в затрубном пространстве, равная 1,5-2,0 м/с.

Если требуемая производительность цементировочного агрегата выше паспортной, то подбирают более мощный агрегат или применяют несколько агрегатов. Для глубоких скважин рекомендуется иметь один цементировочный агрегат в запасе.

Количество подаваемой жидкости обычно подсчитывают по формуле:

где k — коэффициент запаса, равный 1,03-1,05; Hl — глубина установки кольца «стоп», м.

Давление P, развиваемое насосом перед посадкой верхней пробки на «стоп», определяют по формуле:

где Р1 — давление, необходимое для преодоления разности плотностей жидкости в за­трубном зазоре и трубах, МПа; Р₂ — давление, необходимое для преодоления сопротив­ления, МПа.

где — плотность промывочной жидкости в затрубном пространстве, г/см³; — плот­ность продавочной жидкости, г/см³; L — глубина скважины, см.

Продолжительность цементирования должна удовлетворять условию:

где Тскв — время схватывания цементного раствора (Т_скв = 90 мин.).

Технические характеристики наиболее распространенных цементировочных агре­гатов приведены в табл. 8.16.

Таблица 8.16

Технические характеристики цементировочных агрегатов

При ударно-канатном бурении кольцевое пространство между обсадными (эксплуатационными) трубами и стенкой скважины тампонируют цементным раствором с помощью заливных трубок и задавливанием башмаков труб в слой глины, способной к набуханию.

После окончательной установки эксплуа­тационной колонны труб в водоносный пласт опускают скважинный фильтр на колонне бу­рильных труб.

В водоносный горизонт, сложенный легкоразмываемыми породами (например, мелкие пески без примеси галечника), фильтр можно вмывать (рис. 8.23, а). Глубина вмыва обычно не превышает 20 м, Если сведений о мощности и механическом составе водонос­ного горизонта нет, сначала бурят скважину малого диаметра и уточняют интервал уста­новки фильтра. Затем в скважину опускают фильтровую колонну с гидравлическим на­садком, который имеет обратный клапан и втулку с левой резьбой для соединения с бу­рильными трубами. Для достижения необхо­димого эффекта гидровмыва фильтра ско­рость выхода струи из сопла насадка должна быть не менее 40 м/с.

Рис. 8.23. Схемы установки фильтра:

о- гидравлический вмыв (1 — конический на­садок; 2 — фильтровая колонна; 3 — сальник; 4 — бурильные трубы; 5 — подача воды от на­соса; 6 — пульпа); б — с помощью эрлифта (1 — фильтр; 2 — Т-образный ключ; 3, 4, 5 — колонны труб соответственно экс­плуатационная, водоподъемная, воздухопроводящая; 6 — слив; 7 — оголовок; 8, 9 — подача воздуха от компрессора и воды от насоса)

В скважины роторного бурения в услови­ях, когда водоносный горизонт сложен чисты­ми песками, фильтр можно устанавливать с помощью эрлифта (рис. 8.23, б). Фильтровую колонну диаметром на 75-100 мм меньше ди­аметра эксплуатационной опускают в скважину и крепят хомутами. Спускаемая с фильтром колонна служит одновременно водоподъемной для эрлифта. Нижний конец водо­подъемной трубы должен выходить наружу из отстойника на 10-15 см. Его срезают под углом 60°. В колонну водоподъемных труб опускают воздухопроводные диаметром 32 мм. Собранную эрлифтную колонну подвешивают на крюке буровой установки. При установке фильтра в скважину от промывочного насоса подают воду и одновременно в работу включают эрлифт. Скорость посадки фильтра составляет 4-6 м/ч.

В скважинах роторного бурения перед сдачей их в эксплуатацию производят раз-глинизацию водоносного пласта, которая бывает прямой и обратной — промывной водой и спецрастворами. Для этого чистую воду подают в зафильтровое пространство через отстойник или рабочую поверхность фильтра. Для увеличения скорости выхода воды в зафильтровое пространство рекомендуют применять гидравлические ерши специаль­ной конструкции. В.Г. Ильиным и И.Н. Бандырским был предложен и внедрен способ разглинизации водоносного пласта путем создания вращательного движения вымывае­мого потока с помощью направленной винтовой полости из листового металла или ви­нипласта, смонтированной непосредственно на поверхности фильтра. Такие полости позволяют при одних и тех же расходах воды преобразовать ее поступательное движение во вращательное, увеличивая при этом вращательную скорость воды до 1,5…2,0 м/с.

Для разглинизации мелкозернистых водо­носных пластов используют всасывание гли­нистой корки через водоприемную поверх­ность фильтра при откачках. Практический интерес представляет предварительное по­крытие рабочей поверхности фильтра перед опусканием его в пласт тонким защитным сло­ем эпоксидного клея, который легко растворя­ется технической разбавленной серной кисло­той после окончания бурения.

После установки фильтра в скважину производят предварительные (строительные), опытные и эксплуатационные откачки.

Рис. 8.24. Схема пробной откачки эрлиф­том: 1 — компрессор; 2, 4, 6, 8 — трубы соот­ветственно воздухопроводная, для отвода во­ды, водоподъемная, обсадные; 3 — воздух; 5 — вода; 6 — водоподъемная труба; 7 — сме­ситель; 9, 10 — динамический и статический уровни

Предварительные откачки осуществляют с целью очистки скважин от песка, ила, глины, окалины. Их осуществляют желонкой или эр­лифтом (рис. 8.24). Для определения возмож­ности получения из скважины расчетного рас­хода воды и оценки водоотдачи водоносного пласта при различных понижениях уровней воды в процессе работы насосов производят опытные и опытно-экспериментальные откач­ки. Их выполняют, как правило, не менее чем при двух понижениях уровня воды в соответ­ствии с расчетным дебитом. Общая продолжи­тельность откачек составляет не менее 1-2 су­ток на каждое понижение уровня воды после установления постоянного динамического уровня и полного осветления воды. Продолжительность пробных (строительных) и опытных откачек по сравнению с продолжи­тельностью срока постоянной эксплуатации скважин незначительна. Поэтому для этих целей допускается применять водоподъемники с небольшим коэффициентом полезного действия.

Для работы эрлифта (рис. 8.16) необходимо, чтобы:

где — средняя плотность воздушно-водяной эмульсии, т/м³; H— глубина погружения смесителя эрлифта, измеренная от уровня излива, м; h_д — глубина динамического уров­ня воды в скважине от уровня излива, м.

Дебит при откачке регулируют изменением количества подаваемого в скважину воздуха или глубины погружения смесителя эрлифта. Глубина погружения смесителя зависит от динамического уровня воды:

где K— коэффициент погружения смесителя, принимают в пределах 1,53. Объем воздуха, необходимый для подъема 1 м³ воды равен:

где С — опытный коэффициент, принимают в зависимости от коэффициента погруже­ния в пределах 8-14.

Полный расход, м³/мин, воздуха для откачки расчетного расхода воды определяют по формуле:

где Q — расчетный расход воды, м³/ч.

Пусковое давление, МПа, компрессора находят по формуле:

Достоинства эрлифта: не имеет движущихся деталей, надежен в работе, может откачивать воду с большим содержанием песка и шлама, обладает высокой производительностью при малых диаметрах скважины. Недостатки: низкий коэффициент полез­ного действия и необходимость создания высокого столба воды в скважине.

Насосы для постоянной эксплуатации скважин, наоборот, должны иметь высокий коэффициент полезного действия, достаточный гарантированный срок службы и легко демонтироваться для осмотра, ремонта и замены.

Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М.
"Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений"