Роторное бурение скважин: обзор технологии бурения и необходимого оборудования

Если загородный дом невозможно подключить к центральному водоснабжению, нужно организовать автономную систему. Большинство владельцев предпочитает устраивать ее на базе скважины, в разработке которой используются различные способы. Мы рассмотрим роторное бурение скважин — весьма перспективный, но пока малоизвестный вариант.

В предложенной нами статье детально описаны тонкости роторной технологии и применяемые инструменты. Разобраны преимущества и недостатки этой методики, представлены способы ее реализации на практике. Наши советы пригодятся рачительным хозяевам частных участков, желающим проконтролировать работу буровиков.

Определение роторного бурения

Для начала разберем, что вообще из себя представляет роторное бурение скважин и каковы его альтернативы? Одним из самых привычных способов устройства водозаборной выработки пока признают шнековое бурение.

Однако шнековая технология не позволяет пройти скальные коренные породы. Применяемый в шнековом бурении винтовой бур не способен разрушить известняк. А ведь нередко бывает, что нужно забуриться именно в него, т.к. вышележащие слои не отличаются стабильным и достаточным для эксплуатации дебитом.

Колонковая и шнековая буровая технология не предоставляет возможность пройти скальные горные породы. В случае устройства скважины на известняк эффективней и экономичней использовать роторный метод бурения

Потому роторная технология, используемая ранее только в горнодобывающей отрасли, и стала внедряться в сферу устройства частных водозаборных сооружений. Ее рабочим элементом является находящееся в забойной части скважины долото. С помощью долота разрушаются связные и несвязные грунты, дробятся скальные коренные породы.

Выемка же разрушенной горной породы осуществляется с помощью жидкости, которая подается к забою через рабочую колонну или же затрубное пространство. Это 2 разных способа бурения, каждый из которых будет подробно рассмотрен далее.

Диаметр долота превышает диаметр рабочей колонны, что позволяет:

• сократить энергозатраты на весь процесс бурения (мощность здесь расходуются непосредственно только на проворачивание с усилием долота в забое, а потери на трение рабочей колонны о стенки скважины сводятся к минимуму);
• предохранить большую часть элементов рабочей колонны от повреждений, а также стенок пробуренной скважины от разрушения;
• создавать внушительные по диаметру скважины (к примеру, до 70 см) при крайне внушительных глубинах.

Таким способом можно формировать водоносные скважины, глубиной в 300 и более метров, т.е. бурить водозаборные выработки для снабжения водой дачных массивов и поселков.

Итак, определение: бурение по роторному принципу – это такой способ разработки скважины, при котором усилие на долото в забое передается от роторного вращателя через рабочую колонну. Ее собирают из штанг — узких стальных труб, которые присоединяются последовательно друг к другу по мене углубления в землю.

А вот в расчистке ствола выработки и забоя от шлама применяется поданная под напором вода. Благодаря такому решению постоянно разбирать и собирать буровую колонну для извлечения керна как в колонковом бурении не нужно.

Нагнетаемая в выработку жидкость сразу решает две важные задачи: освобождает путь буровому снаряду для производства дальнейших работ и производит промывку скважины, необходимую для подготовки водозабора к эксплуатации.

Преимущества роторной технологии

В чем же преимущества именно роторного бурения перед возможными альтернативами? Их несколько.

Во-первых, используя роторное долото, можно создавать скважины большого диаметра, которые в полном объеме смогут удовлетворить потребности в воде сразу нескольких домохозяйств.

Не секрет, что бурение – процесс недешевый: для него требуется специализированное оборудование, а контролировать и управлять процессом должны опытные бурильщики. В конце концов, деятельность, связанная с бурением скважин, является лицензируемой. Отсюда и его высокая цена.

Благодаря своей форме и конструкции долото при роторном бурении может формировать скважины гораздо большего диаметра, чем шнековые буры и колонковая труба

Объединение сразу нескольких домохозяйств для финансирования одной общей скважины для смежных участков — экономически выгодное предприятие. Но для этого требуется наличие значительного дебета. В большинстве случаев водоносные горизонты четвертичных отложений (песков) не могут их обеспечить.

Естественно, для коллективной эксплуатации водозаборную выработку лучше поставить на известняк. Извлекаемые из него подземные воды характеризуются бóльшей водообильностью и чистотой. На дебит скважин на известняк не оказывает малейшего влияния объем выпавших осадков. Чего нельзя сказать о скважинах на песок.

Во-вторых, убеждают относительно небольшие энергетические затраты. Рабочим элементом при роторном бурении является долото. Но в отличии от шнекового и колонкового бурения, буровой инструмент не взаимодействует со стенками пробуренной скважины

То есть, напрямую с грунтом контактирует только долото, высота которого ничтожно мала по отношению к высоте всей буровой колонны. Как следствие, данный метод формирования скважин является самым быстрым – до 1000 погонных метров в месяц!

В-третьих, коллективных заказчиков привлекает глубина бурения. Только роторным способом можно пробурить скважину, заглубленную в коренные метаморфические и магматические породы, из трещин которых можно качать воду, состав которой более всего подходит для питьевых целей.

Чаще всего из водозаборных выработок глубиной менее 30 м добывают лишь техническую воду. На ее состав влияют расположенные рядом водоемы, захламленные мусором речки, атмосферные осадки, да и просто пролитые на землю технические жидкости. Шнек и колонковая труба поможет получить только такой водозабор.

Весь комплект бурильного оборудования легко монтируется на единой автомобильной платформе средней грузоподъемности. Это делает процесс роторного бурения намного более технологичным, а значит, и более дешевым

К тому же, роторное бурение позволяет пройти выработку на полную глубину без перехода на другой способ бурения. При разработке скважины шнеком, к примеру, в случае необходимости пробурить валун переходят прибегают к ударно канатной методике.

Для этого из ствола извлекают шнековый снаряд и бросают долото на забой, пока не разобьют валун. Затем забой расчищают желонкой. Ею же пользуются, если нужно поднять на поверхность водонасыщенный песок, который в колонковой трубе банально не удерживается.

Практика показывает, что скважины, пробуренные роторным способом, имеют более длительный срок эксплуатации. Технологически это объясняется тем, что после установки обсадной колонны, формирующей стенки скважины, затрубное пространство дополнительно укрепляют.

Оборудование для устройства скважины

Вначале на поверхности над скважиной устанавливается вертикальная консоль для дальнейшего крепления вертикальных звеньев рабочей колонны. Первое звено этого бурового вала оснащено рабочим элементом – долотом, которое может иметь различный формат, в зависимости от категории породы по буримости.

Разумеется, для бурения водоносных скважин применяется более компактное оборудование, и формирование обозначенной вышки, как правило, не требуется

Набор бурового инструмента

При заглублении первого звена, свечи, на него насаживается следующее, называемое штангой, и так далее. Длина каждого такого блока из труб может варьироваться от 20 до 50 м. Для упрощения формирования рабочей колонны каждая штанга оснащается конической резьбой с замком.

В итоге формируется буровой снаряд, который состоит из:

• рабочего долота;
• ведущей штанги;
• колонны рядовых штанг, соединенных между собой муфтами.

Удержание рабочей колонны осуществляется с помощью вертлюги, вращение которой производится ротором. В зависимости от того, насколько глубоко предполагается бурить, а также каковы физико-механические свойства грунта для формирования ведущего звена применяются стандартные или же утяжеленные штанги.

Ведущая штанга, как правило, является утяжеленной трубой, потому что на нее возлагается важная технологическая миссия. Через нее в забой к долоту поступает промывочный раствор, в задачу которого входит вымывание раздробленной породы. А это, в свою очередь, выдвигает требования к муфтовым соединениям, в задачу которых входит уплотнение соединений между звеньями.

Не стоит забывать, что давление жидкости напрямую зависит от высоты формируемого столба (и не зависит от сечения трубы). При этом если даже в качестве промывочного раствора используется вода, то через каждые 10 метров давление будет возрастать на 1 атмосферу.

Для сравнения стоит привести пример. Рабочее давление в бытовой трубопроводной сети в доме составляет 10 атмосфер, а самые прочные трубы рассчитаны на давление в 20 атмосфер.

Только если бытовые системы стационарны и не двигаются, то на ведущую штангу оказывается давление, равное весу буровой колонны. А она ведь еще должна передавать вращательный импульс и усилие на долото.

Муфты – самые ответственные элементы штанги, потому что именно на них приходится вес всей нижней части смежной штанги, а также нагрузка от динамических колебаний и вращательного движения, сообщенного двигателем

К муфтам как конструктивным элементам буровой колонны предъявляют следующие требования, они:

• должны обеспечивать герметичность соединения штанг и выдерживать давление жидкости до 100 атмосфер (для расчистки забоя напорной струей);
• должны быть стойкими к изнашиванию, чтобы не приходить в негодность при трении о стенки скважины;
• должны иметь возможность передавать вращательный момент от верхней части рабочей колонны на нижнюю и, в конце концов, на долото.

Крайне важно, чтобы муфты имели должное качество исполнения. Если хотя бы одна из них не выдержит нагрузку и рабочая колонна будет разорвана, то достать нижнюю ее часть вместе с долотом будет крайне затруднительно. По капитальным затратам порой проще пробурить новую скважину рядом, чем доставать открепившуюся ведущую штангу.

Использование воды в ходе бурения

Жидкость, которая подается к забою, это чаще всего обычная вода. Иногда для того чтобы стабилизировать ствол, проходящий через рыхлые несвязные породы (пески, щебенистые, гравийно-галечниковые отложения) в скважину подают раствор с буровыми добавками. Так надо, потому что обсадку не ставят на первых этапах проходки.

Вода поступает в выработку либо под давлением внутри ведущей штанги (и тогда выкачивание происходит через затрубное пространство), либо самотеком вниз через затрубное пространство, а удаление уже происходит через рабочую колонну откачивающим насосом.

Это 2 различные технологии роторного бурения, особенности которых будут рассмотрены ниже.

Роторное бурение отличается самой высокой скоростью разработки водозаборной скважины. Одновременно с бурением производится промывка ствола и подготовка выработки к предстоящей эксплуатации

Однако какой бы способ ни применялся, везде используемая в бурении жидкость нуждается в очистке (для дальнейшего применения).

Для этого используется следующий комплекс оборудования:

• Амбар для хранения бурового раствора. (Если планируется бурить неглубокую скважину — в пределах нескольких десятков можно устроить непосредственно в земле, а в качестве промывочной жидкости используется обыкновенная вода). Амбар играет роль аккумулятора для промывочной жидкости.
• Вибросито. Промывающий раствор, поднимаемый из скважины, несет в себе частицы раздробленной породы, которые нужно удалить. Самый эффективный способ – это механический, с использование вибросита.
• Отстойник. После удаления крупных частиц породы жидкость попадает в отстойник, чтобы избавиться от взвешенных частиц, выпадающих в осадок. При использовании воды в качестве промывающей жидкости отстойник также иногда сооружают непосредственно в земле. Кроме того, для разделения жидких субстанций и отделения осадка используется гидроциклон.
• Буровой насос. Именно он обеспечивает циркуляцию промывочного раствора.
• Система желобов. Они нужны для движения воды от точки формирования выработки к месту ее очистки.

Всего для разработки скважины по роторной технологии нужны следующие механизмы и оборудование:

1. Вышка либо консоль для сборки буровой колонны из штанг и разборки ее по завершению бурения, а также талевая система.
2. Двигатель, обеспечивающий вращение ротора.
3. Оборудование для жидкости. Механизмы и устройства для обеспечения циркуляции промывающей жидкости и ее очистки (насос; вибросито; отстойники и/или гидроциклон; амбар для хранения промывающей жидкости; система труб и желобов).

Для бурения роторным способом неглубоких скважин весь перечисленный комплект оборудования является весьма компактным (к примеру, стрела консоли является складной). Это обеспечивает простоту размещения оборудования для бурения в любом удобном для производства буровых работ и последующей эксплуатации месте.

Два варианта роторного бурения

В зависимости от способа подачи промывочной жидкости в забой различают 2 типа технологии роторного бурения:

1. с прямой подачей;
2. с обратной подачей.

Надо отметить, что жидкость, подаваемая в забой, предназначена не только для промывки и выноса дробимой породы. Она еще и охлаждает долото, которое сильно нагревается от трения. В случае с прямой подачей жидкости насос создает ее избыточное давление.

Вода поступает в забой через имеющиеся в долоте технологические отверстия, «подхватывает» раздробленную породу и далее уже самотеком по скважине (то есть, через затрубное пространство по отношению к ведущей штанге) поступает на поверхность, где попадает в очистительный комплекс (вибросито, гидроциклон).

Промывка может быть прямой или обратной, от чего будут зависеть качественные характеристики используемого оборудования, но принципиальная схема справедлива для обеих разновидностей технологии

Технология обратной подачи подразумевает, что промывочная жидкость поступает к забою самотеком, спускаясь через скважину, а вот обратно на поверхность раствор с раздробленным материалом поступает уже по трубе ведущей штанги. Буровой насос в данном случае создает отрицательное давление именно в ней.

Несмотря на кажущуюся простоту обеих технологий, нюансов здесь намного больше, чем может показаться на первый взгляд. Поэтому представляется целесообразным остановиться на каждой из указанных технологий бурения более подробно.

Бурение с прямой подачей промывающей жидкости

Такую технологию еще иногда называют «прямым водотоком». Ее целесообразно использовать в песчаных, гравийных, щебенистых грунтах. Также ее применяют, если глубина водоносного горизонта не превышает 30 м. Именно здесь в жидкость добавляются присадки, которые увеличивают ее плотность и стабильность ствола.

Роторное бурение характеризуется поэтапным снижением диаметра проделываемой скважины. Иными словами, сначала бурится скважина самого большого диаметра, затем она обсаживается трубой, а кольцевое пространство между внешней поверхностью трубы и стенкой скважины через технологические отверстия заполняются цементным раствором.

Далее бурение продолжается уже долотом меньшего размера. Затем снова обсадка, и новый участок имеет еще меньший диаметр и т.д. Чем реже нужно «отвлекаться» на цементирование скважины, тем больше производительность бурения, что в итоге выражается в общей стоимости процесса и скважины в целом.

Кроме того, слишком частая обсадка приводит в итоге к тому, что эффективный диаметр скважины (тот диаметр, который и вскрывает водоносный слой) сильно снижается. Так вот «прямой водоток» характеризуется тем, что скважину при таком способе ее формирования можно не обсаживать вплоть до 100 метров.

Основное давление промывающей жидкости создается насосом внутри ведущей штанги, а затрубное пространство жидкость с элементами дробленой породы заполняет самотеком, не разрушая избыточным давлением стенки скважины.

Схема бурения с прямой подачей промывающей жидкости. Ее подача в забой осуществляется по трубе ведущей штанги, а на поверхность она поднимается уже самотеком

Однако есть у данного способа бурения и минусы. В частности, слишком длинный необсаженный участок приводит к тому, что в водоносные горизонты попадают тонкодисперсные глинистые частицы, что может существенно снизить и замедлить приток воды в выработку из водоносного пласта.

Эти частицы здесь играют роль своеобразных затычек пор и микроканалов в породе, через которые просачивается вода. Поэтому производимая в процессе бурения процедура обсадки необходима для сохранения дальнейшей производительности скважины в целом.

Бурение с обратной подачей промывающей жидкости

При таком методе управления подачей жидкости ствол и забой очищается лучше всего. Насос здесь не вдавливает жидкость в забой, а наоборот – засасывает ее обратно, а это приводит к тому, что скорость формирования скважины долотом возрастает на порядок и еще в разы по сравнению с прямой промывкой.

Сама скважина не подвергается загрязнению глинистыми включениями с током подающейся промывочной жидкости. Ведь насос засасывает наверх все, что может в ней содержаться. Кстати, здесь уже нет никакого практического смысла в дополнительных присадках, поэтому в качестве той самой промывочной жидкости используется чистая вода.

Схема обратной промывки при роторном бурении. Подача идет самотеком через затрубное пространство, а обратно шлам вытягивается насосом по трубе ведущей штанги

Итак, подытожим плюсы бурения с обратным водотоком:

• скорость бурения возрастает (по сравнению с прямым водотоком) до 15 раз;
• водоносный горизонт не засоряется глинистыми частицами и пылеватыми песчинками из нижних, еще необсаженных уровней скважины;
• благодаря качественному вскрытию водоносного горизонта, скважину не нужно дополнительно готовить к эксплуатации, можно сразу устанавливать внутреннюю обсадную колонну с фильтром и запускать откачку насосом;
• в качестве рабочей жидкости используется простая (а значит, и дешевая) вода.

Тем не менее, у данного метода присутствует и существенный недостаток. Он требует привлечения дорогостоящего оборудования, что в итоге приводит к значительному удорожанию всего процесса бурения в целом.

Поэтому бурение «обратным водотоком» осуществляется только в тех случаях, когда скважина рассчитана на эксплуатацию сразу несколькими домохозяйствами. Но в случае, если скважина рассчитана на индивидуальную эксплуатацию, то намного более разумным является использование технологии роторного бурения с прямым водотоком.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Наглядная демонстрация процесса роторного бурения по шагам:

Видео #2. Разбор роторной технологии и принципов обустройства скважины:

Видео #3. Циркуляция воды при проведении роторного бурения:

Ситуация с наличием и глубиной залегания водоносных горизонтов может сильно отличаться от места к месту (а где-то их вообще нет, как на острове Мадейра).

При проектировании скважины и выборе оптимального способа роторного бурения следует использовать имеющиеся карты разведанных водоносных горизонтов. Это поможет вам сэкономить значительные средства и время.

Расскажите о вашем опыте в разработке скважины по роторной технологии. Поделитесь технологическими нюансами, которые пригодятся посетителям сайта. Оставляйте, пожалуйста, комментарии в расположенной ниже блок-форме, размещайте фото и задавайте вопросы по теме статьи.