В процессе проектирования конструкции скважины роторный способ бурения наиболее эффективен

Обновлено: 07.07.2024

Принципы выбора способа бурения: основные критерии выбора, учет глубины скважины, температуры в стволе, осложненности бурения, проектного профиля и других факторов

Основные требования к выбору способа вращения долота определяются необходимостью обеспечения успешной проводки ствола скважины при возможных осложнениях с высокими технико-экономическими показателями. Поэтому приемлемый вид бурения должен допускать, во-первых, использование таких видов буровых растворов и такой технологии проводки ствола, которые наиболее полно отвечали бы условиям предупреждения осложнений и их ликвидации, качественного вскрытия продуктивного пласта, а во-вторых, — достижение высокого качества ствола скважины, ее конфигурации и наиболее высоких механических скоростей, проходок на долото, возможность использования долот различных типов в соответствии с механическими и абразивными свойствами пород, глубиной их залегания.

Важно передавать на забой достаточную мощность при любых глубинах бурения с наименьшими потерями и такой крутящий момент, который был бы достаточен для создания надлежащей осевой нагрузки на долото. При передаче мощности на забой (N = M · n) необходимо всегда иметь достаточно высокий крутящий момент M с учетом типа, размеров и степени изношенности долота и свойств пород, регулировать частоту вращения n в целях более полного и целесообразного использования переданной на забой мощности. Привод долота должен иметь мягкую характеристику.

Роторное бурение

Для конкретных условий бурения ротор выбирают по допустимой нагрузке, передаваемой мощности, диаметру проходного отверстия для пропуска долота. Особенность роторного бурения — наличие двух каналов передачи энергии на забой: механической от привода ротора и гидравлической от насосов (компрессоров). Это обусловливает возможность подачи на долото относительно большой механической энергии (мощности N_д = M · n) при благоприятных сочетаниях частоты вращения n и крутящего момента M, а также гидравлической энергии (мощности N_дг = Δp_д · Q) при благоприятных сочетаниях расхода Q и перепада давления на долоте Δp_д.

При роторном способе, в отличие от бурения гидравлическими забойными двигателями, частота вращения долота четко устанавливается бурильщиком с пульта управления. Крутящий момент на долоте не зависит непосредственно от частоты вращения, а зависит от изменения осевой нагрузки, свойств пород, изнашивания зубьев и опор шарошек. Он изменяется от минимального, определяемого трением долота о стенки скважины, до максимального, ограничиваемого подведенной на забой мощностью.

Достаточный момент на долоте можно иметь и при небольшом диаметре скважины. Поэтому при роторном бурении относительно проще подбирать оптимальный режим бурения, методику отработки долота, изменяя осевую нагрузку и частоту вращения с пульта бурильщика.

При вращении бурильной колонны меньше опасности ее прилипания, зависания, прихвата. Осевая нагрузка на долото, определяемая по показаниям индикатора веса, близка к фактической, а вынос разбуренной породы обеспечивается при меньшей скорости восходящего потока, меньшей подаче буровых насосов. В то же время каверны, уширения и искривления ствола скважины увеличивают прогиб вращающейся колонны, повышают опасность ее слома.

Необходимо отметить также, что при роторном бурении практически возможно использование всех типов буровых растворов и продувки воздухом. При роторном бурении с низкими частотами вращения успешно используются долота со стойкими герметизированными опорами. Благодаря высокому крутящему моменту передается достаточно большая нагрузка на долото и бурение ведется в объемной области разрушения пород. В результате уменьшается скорость изнашивания опор и зубьев, достигается большая проходка на долото, иногда существенно превышающая проходку на долото при турбинном бурении.

Однако снижение частоты вращения и при бурении неглубокозалегающих пород невысокой пластичности и абразивности обусловливает кратное снижение механической скорости проходки по сравнению с высокооборотным бурением забойными двигателями.При проводке скважин относительно больших диаметров на малые и средние глубины это приводит к более низким коммерческим скоростям бурения по сравнению с турбинным способом.

В нашей стране роторным способом бурят, как правило, только нижние интервалы вертикальных скважин, не требующие использования отклонителей.

Турбинное бурение

Рис. Рабочая характеристика турбины турбобура

Исследование этой функции показывает, что N максимальна при n₀ = n_x / 2 (режим максимальной мощности турбины).

Зная энергетические параметры при одном режиме промывки из стендовых исследований и пользуясь этими соотношениями, можно определить параметры турбины при другом качестве и количестве бурового раствора.

Винтовой двигатель

Как уже отмечалось, перепад давления в турбобуре почти не изменяется с увеличением момента, при повышении крутящего момента на долоте и в опорах турбобура до M = M_т вал турбобура останавливается, раствор продолжает поступать на забой. В объемном двигателе при повышении крутящего момента давление продолжает расти, пока или не срабатывает предохранительный клапан, или раствор, отгибая резиновые элементы статора, не начнет проходить частично на забой. При этом снизится и частота вращения.При дальнейшем увеличении момента вал двигателя остановится, раствор, отгибая резиновые винтовые поверхности статора, будет проходить через объемный двигатель на забой.
Рис. Рабочая характеристика забойного винтового двигателя

При бурении ВЗД в твердых породах проходка на долото увеличивается более чем в 2 раза, а в мягких — на 20—50% по сравнению с турбобуром, механическая же скорость бурения в обоих случаях ниже на 20—50%. Тем не менее при глубине скважины свыше 1500—2000 м ВЗД выгодны, ибо обеспечивают более высокую рейсовую скорость, которая, напомним, является интегральным показателем эффективности механического бурения.

ВЗД находит все более широкое применение во многих районах для бурения различных по твердости, пластичности, абразивности горных пород. Он проще по конструкции, имеет значительно меньшую длину и массу по сравнению с турбобуром. Небольшая длина двигателя очень выгодна для бурения наклонных и особенно горизонтальных скважин, поскольку можно до минимума снизить радиус искривления ствола и соответственно его длину.

Бурение гибкими трубами

Рис. Общий вид колтюбинговой установки

Инжектор удерживает гладкую непрерывную трубу (ГНТ) диаметром 60,3—114 мм и длиной 1400—4500 м, а также вышку высотой 24,5 м с талевой системой и лебедкой для спуска обсадных и лифтовых насосно-компрессорных труб длиной до 13 м, сборки бурильной компоновки. Вся подъемная установка размещена на трейлере.

Надежная герметизация устья скважины лубрикатором и наличие комплекта противовыбросового оборудования с максимальным рабочим давлением 35 МПа позволяют безопасно вскрывать продуктивные пласты на депрессии.

Скважина на воду способом роторного бурения: особенности технологии, принцип осуществления работ

Ротором в технике называют подвижную часть механизма, передающую энергию вращения на рабочий инструмент. Процесс, при котором круговое оборачивание снаряда совмещается с осевым давлением на поверхность массива, называется роторное бурение. Таким способом проходят выработки различного назначения, включая скважины на воду.

Роторное бурение скважины на воду.

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:

Роторное бурение скважин: плюсы и минусы

Вращательный способ проходки выработок бывает не только роторным, эта технология может сочетаться с ударным воздействием, с продувкой сжатым воздухом, удалением грунтового бурового шлама через шнек.

Преимущества проходки скважин с применением ротора:

Роторное бурение скважины на воду.

Роторный метод для водозаборных скважин является предпочтительным, поскольку он объединяет достоинства всех вращательных способов бурения.

Недостатки этого способа заключаются в том, что применение глинистого раствора снижает дебит скважины, требует мероприятий по восстановлению водоотдачи.

Стоимость работ выше, чем при других способах бурения, вследствие необходимости подвоза чистой воды, глины и реагентов для приготовления раствора. Проблемы обостряются зимой, когда требуется защита от низких температур.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

Проходка выработки для водозабора непрерывным вращением бурового снаряда заключается в разрушении горных пород на забое скважины долотом, присоединенным к колонне, вращающейся вокруг оси ствола ротором. Удаление шлама и охлаждение режущего инструмента осуществляются жидкостью или сжатым воздухом.

Порядок работы оборудования:

Вращатель приводится в действие двигателем электрическим или внутреннего сгорания.
Усилие от вала принимают ведущие вкладыши, расположенные по контуру верхней рабочей трубы, они же передают крутящий момент на колонну.
Давление разрушающего инструмента на забой передается по звеньям сборки. За счет массы конструкции создается нагрузка, достаточная для резания породы.
Буровой шлам удаляется из скважины промывочной жидкостью, которая одновременно охлаждает дробящий инструмент. Раствор после очистки используется вновь.

По мере износа долота его заменяют новым, для этого колонна по секциям извлекается из выработки. Длина свечи, вытаскиваемой за один прием, зависит от высоты подвески кронблока и составляет 25-50 м.

Схема роторного бурение скважины.

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.

Промывочная жидкость в буровых роторных работах

В качестве буровых растворов применяются следующие жидкости:

Схема роторного бурение скважины с прямой промывкой.

Роторная буровая установка

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.

Способы бурения скважин: технологические принципы и особенности основных методов

Для обеспечения дачи или загородного дома водой можно оборудовать колодец или скважину. Для этого необходимо пробурить почву до достижения водного горизонта. Существует несколько вариантов выполнения работ, которые можно применить самостоятельно.

Устройство водозаборной скважины сопряжено с применением различных методов бурения.

Виды буровых способов

В зависимости от типа почвы, технологических возможностей, глубины залегания грунтовых вод выделяются такие способы бурения скважины:

ручной;
шнековый;
роторный;
колонковый;
ударно-канатный.

Особенности ручного бурения

Такой тип работ является самым дешевым и простым, но он подойдет для организации скважин небольшой глубины. Бурение проводится до тех пор, пока не будет достигнут водоупорный слой. Для работы применяются такие инструменты:

Бур-долото, ложка и бур спиральный.
Лебедка.
Желонка.
Штанги.
Обсадные трубы.
Бурильная вышка.

Сегодня практически все водоносные скважины бурятся механизированным способом, который основан на разрушении грунта, подаче его на поверхность.

Весь рабочий процесс предусматривает такие этапы:

Сначала выбирается подходящее место для бурения, над которым размещается вышка.
Лопатой выкапывается углубление для бура.
Вращение оборудования на первых порах можно производить самостоятельно. Чем дальше будет вестись работа, тем труднее будет продвигаться бур, поэтому потребуется помощник.
Через каждые 50 см устройство надо вынимать из ямы и очищать от земли.
Если работа продвигается тяжело, то почву можно размягчить водой.

Как только будет достигнут водоупорный слой, его потребуется очистить. Для этого используется погружной насос. Преимуществом технологии является однородность ствола скважины, простота использования и небольшая стоимость. Но пригодна она только для колодцев небольшой глубины, а их дебет незначительный.

Ударно-канатное бурение

Тут обустройство скважины предусматривает разрыхление почвы при помощи забивного стакана, который оснащен острием и падает с высоты. Своими руками работы выполняются с учетом таких этапов:

Построение вышки-треноги. Ее высота должна быть больше длины забивного стакана, который изготавливается из стальной трубы. В стенке представленного приспособления должно находиться отверстие, при помощи которого будет происходить очищение.
Крепление стакана посредством троса к верхушке треноги.
Во время выполнения работ грунт надо выбрасывать из стакана каждые 50 см.

Для обустройства глубинного колодца часто применяются такие виды оборудования: УКС-22М2, УГБ-50.

Преимущества

Достоинством указанной технологии бурения является:

возможность применения на твердых каменистых почвах;
отсутствие повреждения стенок скважины и водоносного слоя;
легкое очищение стакана;
возможность применения для изучения грунтовых характеристик на разных глубинах.

Преимуществом также является то, что монтировать обсадную трубу можно сразу же после завершения бурильных работ.

Недостатки

Несмотря на доступность и сравнительную дешевизну, технологический процесс имеет недостатки. Среди них возможность строго вертикального бурения. Нельзя использовать данный метод на песчаных грунтах.

Специфика колонкового бурения

Колонковый метод является вращательным. Рабочий инструмент оснащен коронкой (твердосплавной или алмазной). Применяется этот способ редко. Он может быть задействован для подготовки к роторному или шнековому бурению. Иногда его применяют совместно с канатно-ударным методом.

Колонковое бурение — механический вращательный метод, при осуществлении которого глинистый или плотный песчаный грунт извлекается в виде керна цилиндрической формы.

Используемое оборудование и инструменты

Тут скважины бурятся при помощи специального оборудования: 3иФ 650, 3иФ 1200. Установку можно изготовить самостоятельно. Для этого необходимы такие инструменты:

колонковая труба и штанги для ее наращивания;
буровые коронки;
труба для устранения шлама;
муфты, переходники между фрагментами труб, промывочный сальник.

Если работы проводятся на скалистых грунтах, то коронки придется часто менять, т. к. они быстро стираются и перестают выполнять свою функцию. Для облегчения работы в забой поступает промывочная жидкость.

Технология колонкового бурения

Во время прохождения бура порода полностью сохраняется внутри трубы. Этот тип бурения предусматривает такие этапы работ:

Соединение колонковой трубы со штангами для наращивания бурильной коронки.
Закрепление рабочего инструмента в станке.
Постепенное ввинчивание коронки в грунт.
Очищение трубы от содержимого через каждые полметра.

Все действия проводятся до тех пор, пока не будет вскрыт водоносный слой. После этого следует углубиться еще на 50 см. Шлам удаляется промывкой с использованием большого объема воды или при помощи продувания.

Веские достоинства и недостатки

Если целью устройства скважины не является водоносный слой в песчаных отложениях, бурение до достижения скальных пород может проводиться с промывкой.

Данная технология изготовления скважины имеет такие преимущества:

высокая скорость проведения работ;
возможность применения на твердых породах;
изготовление скважин глубиной до 100 м;
компактность, что позволяет использовать установку в труднодоступных районах;
мобильность.

Недостатки метода таковы: быстрый выход из строя рабочей поверхности, небольшой диаметр шахты (нельзя использовать погружные насосы высокой мощности). Такой способ изготовления глубинного колодца считается самым быстрым.

Особенности шнекового бурения

Задействованное оборудование и инструменты

Большинство таких установок оснащено пустыми внутри снарядами с замками обратного хода, предотвращающими движение рабочего инструмента в противоположную сторону. Охлаждение режущей поверхности происходит посредством разбиваемой почвы. Бурение с использованием таких установок производится практически без перерыва, поэтому затраты времени, а также электрической энергии уменьшаются.

Технология шнекового бурения

Сначала выполняется проходка до 2 м, после чего инструмент удаляется из шахты, в которую помещаются обсадные трубы. Они предупреждают обрушение стенок скважины. Это дает возможность применять метод на рыхлых грунтах. Работа продолжается до достижения водоносного слоя.

Плюсы и минусы применения шнека

Такая технология обладает следующими преимуществами:

высоким уровнем производительности;
простотой и доступностью технологии;
сравнительно невысокой стоимостью;
почва поднимается на поверхность во время бурения;
возможностью применения на твердых и сухих участках;
отсутствием риска размывания почвы.

Бурение при помощи шнека — быстрый и недорогой способ, не требующий организации резервуара для промывочной жидкости.

Единственным недостатком шнекового бурения является невозможность его использования при наличии скальных пород в грунте.

Характеристика роторного бурения

Этот способ изготовления глубоких скважин считается самым распространенным. Принцип действия установки заключается в разрушении слоя почвы при помощи долота. В действие оно приводится посредством ротора. Для его вращения требуется отдельный электродвигатель. Почва вымывается при помощи прямой или обратной промывки.

Оборудование позволяет работать на скальных или полускальных участках, обустраивать скважины до 150 м глубиной, но применяется технология при таких условиях:

Рассчитаны гидрогеологические характеристики участка, глубина залегания водного горизонта.
Подземный источник имеет напор, присущий артезианской скважине.
Существует возможность постоянного снабжения рабочей области технической водой.

В теплых регионах такой способ бурения может применяться даже зимой.

Применяемое оборудование и инструменты

Для роторного бурения требуется вышка рамного или решетчатого типа. На ней располагается оборудование для работы. Вышка облегчает подъем колонны. В составе установки присутствуют:

вышка;
долото;
двигатель и привод;
рабочая колонна и ротор;
насосы;
система для очистки промывочной жидкости;
механизм для подъема рабочего инструмента.

В автоматических установках присутствует возможность регулировки скорости оборотов бура. Долото производится из металлических сплавов высокой прочности. Его форма различна. Эти параметры подбираются индивидуально.

Роторное бурение — метод вращательно-вибрационного бурения, при котором разрушение грунта осуществляется при помощи долота, приводимого в движение в забое скважины от ротора буровой установки.

Своеобразие роторной технологии

Данный метод обустройства скважины предусматривает применение долота. Стенки шахты следует укреплять при помощи обсадных труб. Для выбора метода промывки учитывается тип почвы, количество необходимой жидкости. Обратная промывка предпочтительнее. Она сложнее технологически, но позволяет лучше вскрыть водоносный горизонт. Еще обеспечивается больший дебет скважины.

Достоинства и недостатки роторного бурения

Преимуществами указанного технологического процесса являются:

большая глубина бурения;
возможность достижения водоноса в скальных породах;
большой диаметр скважины (до 20 см);
незначительные энергозатраты.

Какой способ бурения выбрать

Выбор метода зависит от типа грунта, диаметр сечения шахты, глубины бурения. Кроме того, учитываются следующие критерии:

объем воды, необходимый для обеспечения домовладения;
частота использования скважины;
качество жидкости;
стоимость монтажа глубинного колодца.

Колонковый способ хорошо подойдет при работе с пластичными глинистыми породами. Роторное бурение применяется в том случае, если участок находится на скальном грунте. Если требуется неглубокая скважина с небольшим дебетом, разрешается применять шнек.

При обустройстве неглубоких скважин нужно учитывать внешние факторы: условия климата и погоды, сезонные изменения водного горизонта. Влияние оказывает близкое нахождение сельскохозяйственных полей, вредных производств. Если планируется обустройство артезианской скважины, то требуется разрешение санэпидстанции, оформление соответствующих документов.

Роторное бурение скважин: обзор технологии бурения и необходимого оборудования

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.

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

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:

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

Вышка либо консоль для сборки буровой колонны из штанг и разборки ее по завершению бурения, а также талевая система.
Двигатель, обеспечивающий вращение ротора.
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:

с прямой подачей;
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

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.

Читайте также: