Скважины бурят буровой установкой. При сооружении скважин на воду, как правило, используют самоходные буровые установки. По назначению скважины на воду бывают разведочные, разведочно-эксплуатационные и эксплуатационные.

Разведочную скважину бурят для составления геологического разреза исследуемой местности, определения водоносности и фильтрационной способности пород, качества воды и др. После получения этих сведений скважину ликвидируют, извлекая из нее трубы и заполняя глиноцементным материалом.

Рис. 1. Конструкция скважины:
1 — устье; 2 — стенки; 3 — ствол; 4 — рабочая часть; 5 — забой.

Разведочно-эксплуатадионная скважина выполняет все функции разведочной, но ее не ликвидируют, а передают в эксплуатацию.

Эксплуатационную скважину сооружают в хорошо разведанных районах, и служит она только для забора подземных вод, то есть эксплуатации.

Понятие о разрушении горных пород. Различные горные породы обладают и разными механическими свойствами. По механическим свойствам их разделяют на три группы: скальные, связные и сыпучие.

Скальные породы (граниты, кварциты, мрамор, базальты, конгломераты, песчаники и др.) характеризуются внутренней связью между частицами, плохой разрушаемостью. Стенки скважин в таких породах устойчивы.

Связные породы объединяют в себе все виды глин. Они пластичны, легко разбуриваются. Стенки скважины во время бурения устойчивы. В ряде случаев при длительном бурении некоторые виды глин впитывают воду и набухают, вследствие чего сечение ствола скважины может сузиться.

К сыпучим (рыхлым) породам относятся пески, гравий, галечник, дресва, то есть породы, частицы которых не имеют сцепления друг с другом. Эти породы склонны к обрушениям и создают в стволе пробки. При бурении по сыпучим породам необходимо контролировать устойчивость стенок. В сыпучих породах иногда выделяют плывунные, то есть, как правило, мелкозернистые пески, полностью насыщенные водой и обладающие большой подвижностью.

Наибольшее значение при бурении скважин имеет механическая прочность горных пород. Под механической прочностью понимают свойство горных пород выдерживать воздействие определенных внешних сил без разрушения. Она зависит от силы сцепления между частицами, слагающими горную породу, и их твердости.

В зависимости от механической прочности горные породы при бурении разрушают дроблением, истиранием, скалыванием или резанием породоразрушающим инструментом. При этом следует иметь в виду, что разрушение пород на забое в массиве отличается от разрушения образцов этой же породы на поверхности. Одновременно с разрушением горной породы происходит постепенное разрушение и самого породоразрушающего инструмента. Такое воздействие пород носит название абразивности.

Специально для бурения разработана классификация горных пород по категориям, исходя из их буримости. Под буримостью понимают время (мин), требуемое на разрушение породы для углубления скважины на единицу длины (м).

Требования к буровым скважинам. Буровая скважина— сложное и дорогостоящее инженерное сооружение. Поэтому к сооружению ее предъявляют самые строгие требования. Наиболее важные из них — долговечность и надежность.

Достижение этих требований во многом зависит от качественного проведения самого бурения, то есть этапа, на котором закладывается основы успешной эксплуатации скважины.

При долговечной работе скважины снижается стоимость откачиваемой воды, экономятся средства, так как нет необходимости проводить ремонты и перебуривание скважин.

Надежность — безаварийная работа скважин — также зависит от качества буровых работ и правильного обслуживания скважин в период эксплуатации.

Скважина должна также обеспечивать получение заданного количества воды—-дебита. Дебит определяют расчетом до начала бурения и закладывают в проект скважины. Поэтому буровая бригада при сооружении скважины должна соблюдать технологию ведения работ для получения проектного дебита. Для подачи заданного количества воды в скважине монтируют насос.

Конструкция скважины должна иметь минимальную металлоемкость, позволять проводить ремонтные работы и замену фильтра, предохранять возможное перетекание подземных вод по затрубному пространству и пр.

Скважины нужно располагать вблизи объекта водоснабжения с соблюдением санитарных норм. Для охраны подземных вод от возможного загрязнения вокруг скважины создают санитарную зону с двумя поясами.

Первый пояс (пояс строгого режима) заканчивается на расстоянии не менее 30 м при заборе воды из напорного водоносного горизонта и не менее 50 м из грунтовых вод. Эту территорию ограждают, охраняют и озеленяют. На ней прокладывают канал для отвода ливневых стоков. Площадки, расположенные вблизи скважины, бетонируют или асфальтируют, сооружают павильон.

Второй пояс создают для ограничения хозяйственно-бытовой и производственной деятельности людей, которая может приводить к ухудшению качества воды, поступающей на питание водоносного горизонта. Границы второго пояса определяют расчетами.

Кроме того, к скважинам предъявляют также требования противовоздушной обороны (ПВО): на устье скважины должен быть смонтирован герметический оголовок, полностью изолирующий внутреннюю часть скважины от внешней среды.

Способы бурения скважин. Скважины на воду бурят в основном вращательным и ударным способами.

Вращательный способ бурения заключается в разрушении горных пород породоразрушающим инструментом в результате непрерывного вращения его с приложением осевой нагрузки. Разрушенную породу с забоя удаляют промывочной жидкостью.

На рисунке 2 показана принципиальная схема вращательного бурения.

Рис. 2. Схема бурения вращательным способом. Позиции даны в тексте.

Рис. 3. Схема бурения ударным способом. Позиции даны в тексте.

Колонна бурильных труб приводится во вращение вращателем (ротором). В результате вращения долота и действия осевой нагрузки, вызванной весом инструмента, порода разрушается и забой скважины постепенно углубляется, а трос через ролик сматывается с барабана лебедки, не препятствуя продвижению колонны.

Разрушенную породу (шлам) вымывают с забоя промывочной жидкостью (чаще всего глинистым раствором), которую подают по бурильным трубам, а затем по стволу скважины направляют на поверхность в отстойник, где частицы разрушенной породы оседают на дно. Очищенную жидкость насосом снова подают по шлангу через вертлюг-сальник и бурильные трубы на забой. Таким образом, промывочная жидкость непрерывно циркулирует.

Применяют также обратную циркуляцию промывочной жидкости (воды). В этом случае разрушенную породу удаляют через бурильную колонну.

Вращательное бурение делят на роторное, колонковое и шнековое.

Роторное бурение — вращение колонны ротором. При бурении скважин на воду получило наибольшее распространение. Оно позволяет достигать высоких скоростей бурения, дешево по сравнению с другими и дает возможность бурить на большую глубину. При этом способе скважины крепят одной колонной обсадных труб, что снижает металлоемкость конструкций.

При роторном способе скважины бурят самоходными установками и буровыми агрегатами (УРБ-2А, УРБ-ЗАМ и 1БА15В и др.).

Колонковое бурение — разрушение породы на забое не по всему поперечному сечению скважины, как при роторном, а по кольцевому пространству, оставляя внутри долота столбик (колонку) породы — керн.

Колонковое бурение применяют в основном для разведочных скважин, а при сооружении скважин на воду— редко из-за малого диаметра бурения.

При колонковом бурении используют установки СБУД-150-ЗИФ, ЗИФ-ЗООМ, ЗИФ-650М, ЗИФ-1200МР, СБА-500 и др.

Шнековое бурение отличается от вышеупомянутых процессом удаления с забоя разрушенной породы. Для ее транспортировки вверх пользуются не промывочной жидкостью, а спиральными шнеками.

Однако используют его только в мягких породах и при глубине скважин не более 50 м. Шнековое бурение необходимо применять в сочетании с другими, так как в водонасыщенных песках бурить только этим способом нельзя.

Для бурения применяют установки ЛБУ-50, УГБ-50М, УШБ-16 и др.

Ударный способ бурения — последовательное разрушение горных пород ударами долота, которое периодически поднимают над забоем и свободно сбрасывают. Породу с забоя удаляют желонкой.

На рисунке 3 представлена принципиальная схема ударного бурения.

Массивное утяжеленное долото подвешивают на стальном тросе, который через неподвижный ролик мачты станка намотан на барабан лебедки. Поднимают и сбрасывают инструмент в результате поступатель-но-возвратного движения оттяжного подвижного ролика и балансира. При движении балансира вниз долото поднимается над забоем, а при отключении балансира оно при свободном сбрасывании наносит удар по забою. По мере углубления трос с барабана лебедки сматывается, не препятствуя продвижению долота.

Долото с присоединенной к нему утяжеленной штангой можно подвешивать на канате (ударно-канатное бурение) или приводить в действие стальными массивными трубами-штангами (ударно-штанговое бурение).

Ударно-канатный способ имеет следующие недостатки:
малые скорости бурения, большую металлоемкость конструкций скважин, громоздкость оборудования.

В настоящее время ударно-канатным способом бурят около 10% от общего объема, так как его вытеснил вращательный способ.

К преимуществам относятся: возможность точного установления при бурении геологического разреза, отсутствие промывочной жидкости, получение высоких де-битов воды из скважины.

Бурят в основном передвижными буровыми установками УКС-22М и УКС-ЗОМ.

Ударно-штанговый способ бурения мало распространен, применяют его лишь при ручном ведении буровых работ.

Кроме того, неглубокие скважины на воду бурят гидродинамическим, выбрационным и грейферным способами.

Гидродинамический способ бурения основан на разрушении пород сильной струей воды. Он может быть применен для мягких пород. Основные недостатки: необходимость использования насосов большой подачи и напора, отсутствие специальных станков, малая глубина бурения.

Гидродинамическое бурение в настоящее время применяют лишь иногда для установки фильтров, что позволяет избежать глинизации водоносного горизонта.

Ведутся разработки по созданию гидромониторного оборудования для разрушения пород более высокой прочности.

Вибрационный способ бурения основан на разрушении породы механическими колебаниями, передаваемыми породоразрушающему инструменту вибрационной машиной через бурильную колонну. Вибрационная машина может быть выполнена в виде вибратора и вибромолота.

В первом случае вибратор закрепляют сверху на трубах, которые он погружает в породы в результате нарушения связей сцепления частиц. Вибромолот погружает трубы ударами.

В буровых работах на воду вибраторы в основном используют для извлечения обсадных труб и фильтров из скважин с глубины не более чем 25 м, так как колебания их резко затухают с увеличением длины колонны.

Грейферный способ бурения — разновидность ударно-канатного способа. Породу разрушают и одновременно извлекают с помощью инструмента — грейфера, который подвешивают на тросе экскаватора и сбрасывают в скважину под действием собственной массы. Металлические зубья грейфера разрушают породу и при подъеме сжимаются, забирая ее с забоя.

Грейфером бурят редко и только при больших диаметрах и малой глубине скважин, так как этот способ бурения малопроизводителен и требует дополнительного оборудования для забивки труб.

Новые способы бурения. В настоящее время ведутся исследования по созданию новых способов бурения, к которым относятся магнитостриктный, имплозионный, Ультразвуковой, эрозионный, плазменный, электроимпульсный и др.

Магнитостриктный способ основан на использовании электромагнитных колебаний для разрушения пород.

При имплозионном способе бурения в скважину подаются герметические капсулы, из которых предварительно удален воздух. Капсулы разбиваются о породы, в результате чего в водной среде создаются разрушающие импульсы.

Ультразвуковой способ основан на разрушении пород ультразвуковыми колебаниями.

При эрозионном способе бурения породу разрушают кварцевым песком или стальной дробью, подаваемых с помощью водонапорной струи.

Плазменный способ бурения основан на разрушении породы струей плазмы, нагретой до 50 000 °С.