Конструкция водопонизительных скважин.

Конструкции водопонизительной скважины во многом за­висят от способа их бурения, свойств пересекаемых грунтов. В неустойчивых грунтах водопонизительные скважины по ме­ре их бурения закрепляют телескопически обсадными труба­ми.

В телескопическом креплении скважины предусматривают следующие колонны обсадных труб: кондуктор, предназначен­ный для закрепления скважин в верхней толще грунтов; тех­нические (промежуточные) колонны, опускаемые в скважину после кондуктора, и эксплуатационная (фильтровая) колонна. Последняя промежуточная колонна может служить в качестве фильтровой, предназначенной для крепления ствола скважины в интервале залегания дренируемого водоносного горизонта.

В зависимости от типа и размеров применяемого фильтра, габаритов водоподъемных механизмов, глубины залегания, мощ­ности и водообильности пласта, а также характера слагающих его грунтов, определяющих необходимость устройства песчано-гравийной обсыпки, устанавливают размер эксплуатационной колонны обсадных труб, а затем — колонность скважины сни­зу вверх с учетом технических условий бурения.

Разница между диаметрами предыдущей и последующей колонн обсадных труб при ударно-канатном бурении принима­ют в пределах 70—100 мм, а при вращательном бурении — 80— 100мм (для диаметра труб до 700 мм) или 100—150 мм (для диаметра труб более 700 мм).

Выход колонн обсадных труб, т. е. максимальную длину колонны одного диаметра, при различных способах бурения принимают в следующих пределах:

для ударно-канатного способа бурения в сухих, связных и рыхлых грунтах — 25—30 мм, а в тех же грунтах, насыщенных водой, и водоносных — 35—40 мм; для вращательного спосо­ба бурения в грунтах разных типов— 100 мм.

Меньшее значение выхода колонны обсадных труб при ударно-канатном бурении следует принимать при возведении скважин диаметром более 345 мм, а также при частом чередо­вании в разрезе прослоек связных, рыхлых, водоупорных и во­доносных грунтов.

Бурение водопонизительных скважин

Водопонизительные скважины чаще всего бурят ударно-канатным или роторным способами. При ударно-канатном спо­собе разрушение забоя скважины осуществляется долотом бла­годаря возвратно-поступательному движению бурового снаря­да, которое передается от буровой установки канатом. Разру­шенный грунт удаляют желонками.

Операции по бурению при ударно-канатном способе выпол­няют в следующей последовательности: спуск на забой буро­вого снаряда; разрушение грунта забоя долотом (долбление); подъем бурового снаряда; спуск желонки; очистка скважины от разрушенного грунта (желонирование); подъем желонки; крепление скважины обсадными трубами. При бурении рых­лых и малосвязных грунтов операции «спуск», «разрушение забоя» и «подъем бурового снаряда» отсутствуют.

Для эффективного разрушения грунтов массу бурового сна­ряда подбирают таким образом, чтобы ее величина в килограм­мах, приходящаяся на 1мм длины лезвия долота, находилась в следующих пределах: для мягких грунтов 2,5—4; для грун­тов средней крепости 4—5.

Ударно-канатное бурение практически может быть приме­нено почти во всех геологических условиях. Отсутствие про­мывочной жидкости при бурении позволяет получить высокий дебит грунтовых вод из водопонизительных скважин без про­ведения дополнительных работ. К недостаткам этого способа следует отнести большой расход обсадных труб, предназна­ченных для крепления скважин.

Вращательный способ бурения заключается в разрушении грунтов грунторазрушающим инструментом в результате его непрерывного вращения с приложением осевой нагрузки. Раз-рушенный грунт удаляют из забоя путем принудительной цир­куляции рабочего агента (промывочной жидкости или воздуха).

При роторном бурении вращение буровому снаряду переда­ется ротором, расположенным на поверхности.

Буровой снаряд роторного бурения состоит из грунторазру-шающего инструмента, утяжеленных бурильных и ведущей труб. На верхнем конце ведущей трубы навинчивают вертлюг-сальник. Отдельные элементы бурового снаряда соединяют между собой с помощью резьбовых соединений. Для соедине­ния элементов бурового, снаряда, отличающихся по резьбе или диаметру, используют переводники.

При вращательном бурении для очистки забоя от частиц выбуренного грунта, охлаждения нагреваемого при работе грунторазрушающего инструмента, а также для обеспечения устойчивости стенок скважины применяют промывочную жид­кость, которая циркулирует по замкнутому гидравлическому контуру.

В качестве промывочной жидкости используют глинистые растворы, специальные промывочные жидкости и техническую воду.

Существуют две схемы циркуляции промывочной жидкости— прямая и обратная.

При прямой схеме промывки жидкость подается на забой насосом через вертлюг-сальник и буровой снаряд. Далее про­мывочная жидкость, омывая забой и смешиваясь со шламом, выносит его по стволу скважины вверх. На поверхности жид­кость, циркулируя по желобам и отстойникам, высвобождает­ся от шлама. Затем из приемной емкости осветленная промы­вочная жидкость вновь захватывается насосом и через нагне­тательный шланг подается к вертлюгу-сальнику.

Процесс бурения скважины вращательным способом с пря­мой промывкой состоит из спуска бурового снаряда, механи­ческого бурения, наращивания бурового снаряда, промывки скважины, подъема бурового снаряда и замены грунторазрушающего инструмента (долота).

Оптимальный технологический режим бурения выбирают в зависимости от геологических свойств уримых грунтов, от ти­па и диаметра грунторазрушающего инструмента, от качества и состояния оборудования и инструмента, а также глубины скважины.

Основными регулирующими параметрами при вращатель­ном бурении с прямой промывкой являются: осевое усилие на грунторазрушающий инструмент, частота вращения бурового снаряда и расход промывочной жидкости.

В рыхлых грунтах (песок, гравий, галечник) бурение сле­дует вести при осевом усилии 0,6—1,0 кН на 1см лопастных долот и 1,0—1,5 кН на 1см шарошечных долот. Частота вра­щения бурового снаряда в таких условиях колеблется в диапа­зоне от 2,5 до 4,0 с"¹, а расход промывочной жидкости может достигать 10 л/с.

В глинистых грунтах (глина, суглинок) бурят в основном трехшарошечными долотами при осевом усилии 1,5—2 кН на 1см долота, частоте вращения бурового снаряда 2,5—4 с¹ и расходе промывочной жидкости до 8 л/с.

Вращательное (роторное) бурение с прямой промывкой обеспечивает высокие скорости бурения, однако необходи­мость использовать при этом глинистый раствор связана с про­ведением работ по разглинизации, которые не всегда обеспечи­вают полное восстановление фильтрационных свойств грунтов, хотя и занимают до 30% общего времени сооружения скважи­ны. Поэтому в последнее время для бурения водопонизительных скважин применяют установки вращательного бурения с обратной промывкой (всасывающее бурение).

Вращательное бурение с обратной промывкой по срав­нению с другими способами обладают следующими преимуще­ствами: позволяют бурить скважины долотом одного диаметра до конечной глубины без крепления стенок обсадными труба­ми; предотвращают глинизацию водоносного горизонта; поз­воляют создать вокруг фильтра песчано-гравийную обсыпку значительной толщины; увеличивает еханическую скорость бурения вследствие улучшения условий очистки забоя сква­жины; сокращают время на проведение откачки.

При этом методе бурения движение промывочной жидкости осуществляется по следующей схеме. Вода из отстойника са­мотеком поступает к забою скважины через кольцевой зазор между буровым снарядом и стенками скважины, а поднимает­ся к поверхности по внутреннему каналу бурового снаряда. Для интенсивного засасывания и последующего сброса пульпы в отстойник всасывающую систему оборудуют центробеж­ным насосом, эрлифтом или гидроэлеватором (рис. ).

Бурение с обратной промывкой можно применять в мягких грунтах (I—IV) категории по буримости) при условии обес­печения всего процесса сооружения скважины достаточным количеством воды (до 10 м³/ч на 1 м мощности водоносного горизонта) и сохранения устойчивости ствола скважины на время ее сооружения и установки фильтра.

Для вращательного бурения с обратной промывкой ис­пользуют специально разработанные для этой цели отечествен­ные буровые установки 1БА-15К. и УБВ-600, а также зарубеж­ные ГА-10, ГА-12 и ГА-20.

Для крепления скважин наиболее часто применяют метал­лические бесшовные трубы муфтового соединения длиной 9,5—13 м и толщиной стенок 5,2—16,5 мм.

При креплении скважин небольшой глубины (до 50м), про­буренных в рыхлых неустойчивых грунтах, а также в песках плывунного типа, когда обсадные трубы опережают буровой снаряд, целесообразно использовать безмуфтовые обсадные трубы с наружной резьбой на одном конце и внутренней — на другом.

Для крепления стенок скважин больших диаметров (200— 1200 мм) используют стальные электросварные трубы, соеди­ненные между собой электро- или газосваркой.

Наряду с металлическими трубами скважины иногда кре­пят асбоцементными или пластмассовыми трубами.

Скважины, пробуренные установками ударно-канатного бу­рения, закрепляют обсадными трубами следующими методами: ходовой колонны, расхаживания и свободного спуска.

Методом ходовой колонны крепят скважину, пробуренную в мягких неустойчивых грунтах. В зависимости от устойчивости стенок скважины ее крепят с отставанием или опережением за­боя. В мягких неустойчивых грунтах вследствие трения о грунт опускание труб встречает значительное сопротивление, возра­стающее ло мере углубления скважины. В связи с этим для принудительной лосадки обсадных труб применяют ударные снаряды. На практике чаще используют ударные снаряды, масса которых колеблется в широких пределах — от 200 до 1300 кг;

Обычно в начале забивки обсадные трубы идут вниз быст­ро (1—1,5 см за 3—5 ударов), затем движение их замедляет­ся. Если после 70—80 ударов забивного снаряда трубы опус­тились всего на 1 см, то крепление скважины трубами данного диаметра прекращают и переходят на следующий диаметр труб.

Кроме ударных снарядов для принудительной посадки об­садных труб применяют вибромашины. Создаваемые ими коле­бания ослабляют силы связи грунта с трубами, что способст­вует повышению скорости погружения обсадных труб.

Для выравнивания стенок скважины и предохранения об­садных труб от деформации на нижний конец первой обсадной 'трубы навинчивают обсадной башмак. При посадке труб с за­биванием или задавливанием применяют гладкий башмак, име­ющий снизу острый режущий торец, а при продвижении труб с вращением — фрезерный башмак с зубьями на нижнем конце.

Для предохранения верхнего конца обсадных труб от смя­тия при забивке на него надевают предохранительную голов­ку. При креплении скважины обсадными трубами муфтового соединения применяют резьбовые забивные головки, ввинчи­ваемые в муфту, а при креплении трубами, соединяемыми электросваркой, —многоступенчатые забивные головки не­скольких смежных диаметров, надеваемые непосредственно на их верхнюю часть.

Расхаживание обсадных труб заключается в передаче им возвратно- или прерывисто-поворотных движений относитель­но их оси. Угол поворота обсадных труб изменяется от 20 до 40°, частота поворотов достигает 60 в 1 мин, что соответству­ет 3—6 полным оборотам. При этом трубы погружаются в скважину без дополнительных усилий забивкой или задавливанием, так как расхаживание приводит к снижению сил тре­ния труб о стенки скважины. Благодаря возвратно-поступатель­ному движению труба достаточно свободно продвигается в грунте, а фрезерный башмак обсадной трубы, разрыхляет грунт забоя скважины, облегчая последующую проходку скважины.

Свободный спуск обсадных колонн производят на интерва­ле, закрепленном трубами большого диаметра, или при буре­нии в устойчивых грунтах, когда диаметр скважины превыша­ет наружный диаметр башмака и муфт обсадной колонны. Ко­лонну спускают после углубления скважины на 50—60 м при переходе на другой диаметр. Трубы идут свободно, без при­нудительной посадки. Башмак каждой колонны труб внедряют на 3—5 м в твердые грунты (тяжелый суглинок, глина), чтобы изолировать вышележащие горизонты друг от друга. Когда не удается заглубить башмак колонны в твердые грунты, на забое создают глиняный или цементный тампон.

Скважины, пробуренные вращательным способом прямой промывкой, закрепляют методом свободного спуска. Перед монтажом обсадных труб в скважину ее ствол равномерно про­рабатывают.

Для уменьшения нагрузки на талевую систему и мачту бу­ровой установки в нижней части обсадной колонны устанав­ливают обратный клапан. Он препятствует поступлению гли­нистого раствора из скважины внутрь обсадной трубы.

Асбестоцементными и пластмассовыми трубами крепят в основном скважины, пробуренные вращательным способом и имеющие' глубину не более 150 м. При этом необходимо учесть, что асбестоцементные трубы имеют иные размеры, чем сталь­ные обсадные трубы. При примерно одинаковых наружных диаметрах внутренние диаметры асбестоцементных труб на 20—40 мм меньше внутренних диаметров стальных труб. В свя­зи с этим в скважине, закрепленной асбестоцементными труба­ми, возможна установка водоподъемника, меньшего на один-два очередных диаметра по сравнению с тем, который мог бы быть установлен в соответствующей колонне обычных сталь­ных труб.

Асбестоцементной или пластмассовой обсадной колонной, состоящей из труб, соединенных между собой резьбовыми муф­тами, крепят скважины так же, как и металлическими труба­ми. При безрезьбовом соединении неметаллических труб обсад­ные колонны опускают в скважину с нижней поддержкой. С этой целью к первой трубе присоединяют башмак с муфтой, оснащенной левой резьбой. Спуск таких колонн осуществляют с помощью бурильных труб, устанавливаемых внутрь обсадной колонны и соединенных с муфтой несущего башмака. По до­стижении обсадной колонной требуемой глубины бурильные трубы вывинчивают из башмака и поднимают на поверхность. Верхнюю часть колонны для предохранения от разрушения за­канчивают металлической трубкой длиной 2—3 м и внутрен­ним диаметром, равным диаметру асбестоцементных труб.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: