Роторное бурение скважин: вращательный способ водозабора

Историческая справка

Роторное бурение используется уже более ста сорока лет. Технологию этого способа пробивания скважин впервые применили в Соединенных Штатах Америки в начале восьмидесятых годов девятнадцатого столетия. С того времени он практически не изменился за исключением мелких новаций, которые привели к большей эффективности. Изменения коснулись породоразрушающих инструментов – они совершенствовались, создавались новые жидкие среды для промыва скважин, усиливалась прочность частей механизма.

Роторное бурение скважин – это один из видов бурения методом вращения. Принцип таков, что инструмент для разрушения породы, располагаясь внутри скважины, работает от усилия, передаваемого ему электродвигателем или газотурбинным оборудованием. Этот метод достаточно простой и эффективный. С его помощью бурят эксплуатационные нефтяные и разведочные скважины. Компактные размеры установки позволяют применять ее на частной земле для создания водяных скважин.

Способы бурения

В настоящее время бурение скважин для воды осуществляется породоразрушающими методами с применением специальных механизмов. Подача грунта наверх может осуществляться двумя способами:

• С помощью механизмов – сухой метод.
• Струей воды под большим напором либо самотеком – гидравлический.

В общем случае механическое бурение проводится одним из трех способов:

• Вращательное роторное бурение – почва бурится вращательными движениями.
• Ударное – грунт разрушается ударами бурового снаряда.
• Вибрационное – почва разбивается колебаниями высоких частот.

Первый метод является самым применяемым в силу своей простоты, дешевизны и одновременно производительности.

Преимущества и недостатки

Что касается преимуществ технологии роторного бурения, то здесь выделяю следующее:

1. 
   Высокая скорость работы. Скважина до 100 метров может быть пробурена за 2-3 дня. Лучше бурить неплотный грунт, поскольку он меньше изнашивает инструмент, позволяет повысить эффективность работы и снизить сроки сдачи объекта.
2. Универсальность. Здесь снова затрагивается возможность бурить разные породы грунта. Это позволяет создавать скважины, предназначенные для забора технической воды, например, неглубокие, а также артезианские, когда приходится бурить “на известняк”. Помощью для работы роторной установки может стать глинистый раствор. Он используется в вопросах промывки скважин.
3. Размер. Благодаря тому, что установка помещается на грузовой автомобиль, ее можно доставлять в самые разные уголки, даже по непроходимым дорогам. Есть возможность подъезда в труднодоступные места, что актуально при бурении на территории частных участков. Все это добавляет мобильности, позволяя быстро раскладываться на новом объекте и сразу приступать к выполнению задачи.

Среди недостатков можно выделить необходимость тщательной подготовки к каждому роторному бурению. То есть, нужна геологоразведка, поскольку в зависимости от породы грунта необходимо подбирать специальное оборудование, которое применяется для породоразрушения, иначе долото может выйти из строя.

Среди прочих недостатков нужно выделить сложность бурения в зимний период времени.

Бурильная установка может быть разрушена под действием замерзшего грунта (рекомендации о том, в какое время года лучше всего бурить скважину, а также преимущества и недостатки каждого сезона для начала бурительных работ, найдете в нашем специальном материале).

Что касается мощности, то здесь все зависит от роторной части.

Области применения роторного бурения

Описанное в статье буровое оборудование может быть использовано для проходки скважин любых назначений как с отбором керна, так и без него. Оптимальным выбором для серийного бурения разведывательных скважин являются мини буровые установки, смонтированные на прицеп или в кузов грузового авто.

За последние 10 лет сфера применения роторных буровых установок существенно расширилась. Тому есть две причины: разработка и внедрение струйных шарошечных долот; появление мощных компрессоров и использование сжатого воздуха для очистки скважин от шлама. Но на этом развитие роторного бурения не останавливается: разработки в данной области ведутся постоянно

Когда применяется метод

Бурение роторным способом используется когда разрабатываются полускальные и скальные грунты для устройства скважин глубиной до ста пятидесяти метров. Для успешного бурения скал необходимо правильно подобрать бурильный инструмент – долото и утяжеленные трубы. По словам специалистов, для эффективной работы роторное бурение следует применять, если соблюдаются такие условия:

• Изучение гидрогеологического разреза участка проведено достаточно подробно.
• Известно, что почва состоит из скальных пород.
• Есть данные об уровне залегания водоносной жилы.
• Имеется хороший напор подземной воды.
• Есть возможность постоянной доставки промывочной жидкости.

Кроме того, следует учитывать, что условия южных районов позволяют проводить буровые работы круглогодично, а в северных областях работы ограничены температурными показателями внешней среды, при которых замерзает жидкость для промывки.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

В основе технологии роторного бурения скважин лежит грузовой автомобиль, на котором установлен подъемник, а также вышка. Это позволяет поднимать/опускать ствол подъемного механизма бурильной колонны. Всем этим движет электрический привод либо мотор внутреннего сгорания автомобиля. Благодаря открытию заслонки подачи топлива, есть возможность регулировать количество оборотов вращающегося механизма.

Энергия двигателя передается ротору, который преобразует ее в энергию вращения бура. Труба ротора использует ведущий момент и начинает вращаться в заданном направлении. Основная часть ведущей трубы является разъемной, что позволяет увеличивать ее длину, постепенно углубляясь в скважину. Соединение осуществляется за счет муфт.

Вращение передается на керн, который работает по принципу раздробления горной породы. Режущая коронка может быть изготовлена из алмазных сплавов, композитных материалов и других твердосплавных веществ. Конструкция кромок тоже может отличаться.

Благодаря распределенному весу утяжеляющей трубы, усилие создается непосредственно на долото, что является особенностью роторной установки. В связи с этим распределенная сила тяжести растягивает подвешенную буровую колонну, не позволяя ей разрушаться под нагрузкой. Через вертлюг (систему очистки жидкостью) подается промывочная жидкость. Она попадает на режущие элементы долота.

Продукты бурения удаляются при помощи решетчатых, вибрационных и инерционных фильтров, что зависит от конструкции установки.

Подача воды должна идти практически непрерывно, поскольку иначе буровая установка быстро выйдет из строя.

Есть разновидности, которые способны очищаться посредством подачи сжатого воздуха.

Как происходит роторное бурение:

Оборудование для роторного бурения скважин

Ротор является основным механизмом станка для одноименного метода бурения. Вращатели различают по мощности, статической нагрузке, диаметру отверстия под колонну из труб. По конструкции роторы бывают неподвижными или перемещающимися в вертикальной плоскости. Они рассчитаны на бурение скважин глубиной 100-1500 м, выдерживают нагрузку 10-500 т.

Кроме основного предназначения (вращения инструмента), ротор служит удерживающим устройством бурильных и обсадных труб при выполнении спуско-подъемных операций. Еще ряд механизмов и устройств обеспечивают продвижение породоразрушающего снаряда в горный массив.

В состав роторной буровой установки входят:

1. Вышка — на ней размещаются и подвешиваются бурильные трубы. Сооружение устраивается в виде мачты на 1-2 опорах или каркаса башенного типа на 4 опорных точках.
2. Буровой насос поршневой — служит для закачки в скважину промывки. Работает в составе комплекса оборудования для приготовления раствора и его очистки.
3. Вертлюг — через него промывочный раствор от насоса попадает в буровую колонну. Устройство крепится на крюке в верхней части вышки.
4. Талевая система с лебедкой и блоками — обеспечивает спуск и подъем колонны.
5. Элеватор — с его помощью производятся захват и удержание труб.

В состав оборудования входят долота шарошечные и алмазные, стропы для присоединения элеватора к талевому блоку, переходники различных типов, грязевые насосы для откачки пульпы. Промывка при роторном бурении — прямая или обратная с применением глинистого раствора, воды.

Особенности технологии роторного бурения скважин

Процесс бурения организован так, что из-за вымывания слоя почвы из шахты буровая колонна с каждым движением углубляется все ниже. Периодически ее необходимо наращивать добавлением других труб.

Процесс бурения выполняется ступенчато:

• Пройдя первые рыхлые слои грунта, колонну поднимают, а в шахту опускают обсадную трубу.
• Зазор по кругу заполняют раствором цемента.
• После застывания цемента в шахту подают долото с меньшим диаметром, и работа продолжается дальше.

Таких аналогичных шагов может выполняться несколько, а затем в шахту опускается перфорированная на конце эксплуатационная труба. В зависимости от качества почвенного пласта и глубины выбирают количество и массу труб, вид долота, скорость его вращения и материал кромок, давление промывочной жидкости. Специфика такова:

• Легкие породные пласты проходят с максимальной скоростью и наибольшей промывкой.
• Скалистые почвы требуют пониженной частоты и уменьшенного давления жидкости.

Помешать работам могут грунтовые твердые включения – валуны – на пути ротора, который может заклинило, или почвы, активно поглощающие промывку. Также замедляет процесс нехватка воды в месте проведения работ и наличие большого глинистого слоя. Глина, смешиваясь с водой, закупоривает водяное русло и требует дополнительной тщательной промывки.

Смена породоразрушающего инструмента

Несмотря на тщательно просчитанную геометрию лопастей и армирование твёрдыми сплавами, долото буровое всегда будет самым изнашиваемым инструментом роторной буровой установки. Его регулярная замена — неотъемлемая составляющая рабочего процесса. Для этих целей используются так называемые «свечи» — блоки из нескольких труб. В зависимости от высоты буровой вышки и глубины скважины, длина свечи может варьироваться от 20 до 50 м. С целью упростить свинчивание, трубы оснащают замками с конической резьбой.

Обсадные трубы

Пересекаемые скважиной породы частично укрепляются за счет применения глинистого раствора, но полноценное предотвращение осыпания стенок выработки достигается их обсадкой стальными трубами. Закончив бурение в заданном интервале, проходку скважины приостанавливают для монтажа обсадной колонны. Ближайшая к поверхности часть конструкции называется кондуктором.

При укреплении стенок выработки придерживаются следующих правил:

• диаметр обсадной трубы должен быть меньше сечения выработки: колонна опускается в скважину свободно;
• глубина, начиная с которой делают перерыв в бурении для установки обсадной крепи, находится в пределах 30-600 м;
• стенки водозаборных выработок обсаживают цельнотянутыми трубами длиной 6-13 м, для изготовления кондуктора используют сварные стояки Ø426-478 мм;
• затрубное пространство заполняется цементной тампонажной смесью.

В сложных геологических условиях устанавливают несколько обсадных колонн разного диаметра. Трубы меньшего размера располагаются в глубоких горизонтах.

Особенность нижнего звена конструкции заключается в том, что эта труба является эксплуатационной и перфорируется для проникновения воды внутрь колонны.

Обсадные трубы

Промывочная жидкость в буровых роторных работах

Жидкие среды, используемые для бурения, укрепляют стенки выработки в рыхлых породах, удерживают буровой шлам во взвеси, не давая ему осаждаться, и выносят его на поверхность, не загрязняют подземную воду. Трение колонны о стенки скважины и охлаждение долота, способствование разрушению породы на забое — это тоже функции промывки.

В качестве буровых растворов применяются следующие жидкости:

1. Вода техническая. Применяется при строительстве водозабора в устойчивых породах и песках, где статический уровень жидкости ≥3 м. Диаметр скважин <200 мм.
2. Глинистый раствор. Для его приготовления используют каолиновые и бентонитовые глины. При смешивании с водой частицы породы слипаются между собой и образуют гелеобразную жидкость, в которой влага находится внутри пространственной структуры ячеек.
3. Раствор аэрированный. Применяется в интервалах с поглощением промывки и при входе в слабонапорные водоносные пласты. Представляет собой обогащенную воздухом техническую воду или глинистый раствор. Аэрация осуществляется 2 способами: реагентным (добавлением в жидкость поверхностно активных веществ) и подачей сжатого воздуха от компрессора. Обогащение промывки воздухом способствует снижению загрязненности водоносного горизонта элементами промывочной жидкости.
4. Нестабильный раствор технического крахмала. Перемешивается 1 час в глиномешалке с добавлением к 1 м³ воды 40-50 г сухого порошка. Смесь распадается через 3-4 дня. Используется при бурении низконапорных пластов, включающих мелкозернистые пески, что позволяет не проводить разглинизацию скважины, как в случае применения раствора глины.
5. Водные растворы гипана — гидролизованного полиакрилонитрила. Его использование в песчаных горизонтах снижает водоотдачу пласта из-за образования эластичной корки на стенках скважины.

Схема роторного бурение скважины с прямой промывкой.

Роторная буровая установка

Для строительства водозаборных выработок применяют самоходные и передвижные буровые установки. Станки с прямой промывкой рекомендуются при бурении скважин на воду глубиной 200-800 м, а с обратной — глубиной 150-500 м. Характеристики некоторых комплексов приведены в таблице.

Показатели	УРБ-2,5А	УБВ-600	FA10	1БА15К
Способ промывки	Прямой	Прямой	Обратный	Обратный
Грузоподъемность, т	1,5-2	32-50	6,3-10	12,5-20
Глубина бурения рекомендуемая, м	150	600	150/150	250/500
Диаметр скважины, мм	1016/600	1270/394
-начальный	151	490
-конечный	132-151	214
Масса, т	9,8	24,1	10,6	14,7

Существует класс легких малогабаритных буровых установок, их применяют при обустройстве водозаборов на дачных участках. Для бурения скважин глубиной до 20 м в мягких породах можно изготовить самодельные приспособления.

Промышленность выпускает переносные разборные станки, позволяющие бурить выработки глубиной 50-70 м. Например, установка МБУ-70 при использовании алмазного долота обеспечивает проходку выработок <70 м в крепких породах.

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.

Нюансы и сложности роторного бурения скважин

Следует учесть некоторые моменты, которые важны для роторного бурения. Например, произвести бурение в известняковых породах можно только мощной, а следовательно, более крупной установкой, что увеличит транспортные расходы.

Модели больших роторных установок можно увидеть в залах выставочной экспозиции.

В процессе работ могут возникнуть сложности с заклиниванием керна. Поэтому при подготовке скважины нужна постоянная подача воды, чтобы очистить рабочие детали от загрязнений.

Совет буровика

Благодаря совместному действию вращения буровой колонны и размывания разрыхлённого грунта, эффективность роторной технологии значительно превосходит все прочие способы. Поэтому, если вы желаете обустроить на своём участке глубинную артезианскую скважину с чистой водой и большим дебитом, следует использовать именно роторный способ бурения скважин.

Кроме того, применение специальных буровых растворов позволяют укрепить стенки шахты, предотвращая их осыпание в процессе бурения. В некоторых случаях специально разработанные растворы позволяют без особых рисков буриться даже через плывуны, придавая текучему грунту свойства густого геля, и препятствуя его оплыванию в пробуриваемую скважину..

Среди основных минусов данного способа – его относительная дороговизна. Если ударные или забивные буровые приспособления можно без особого труда создать собственными руками, то установка для роторного бурения требует наличия множества заводских агрегатов – вертлюг, мотопомпа, насос, а также начальных навыков буровика.