Колонковое бурение скважин: суть метода и его особенности, плюсы и минусы технологии

Способ проходки горных выработок, при котором разрушение массива происходит только по контуру режущей насадки, не нарушая целостности керна (пробы) внутри колонны (трубы), называется колонковым бурением. Возможность сохранения образца горной породы или бетонного фундамента в естественном состоянии предопределяет широкую сферу использования метода.

Колонковый способ бурения.

Характеристика колонкового способа бурения

Основное назначение — обеспечить достоверную информацию о веществах, находящихся в массивных образованиях, путем извлечения их на поверхность. Продуктами резания монолитов являются цилиндрические образцы твердой пробы и буровая мелочь — шлам.

Выемка керна осуществляется инструментом для работы в скважине:

• коронки — кольца трубчатой формы Ø 76, 93, 112, 132, 151 и 190 мм, армированные с рабочего торца твердыми сплавами, или насадки Ø 36, 46, 59 и 76 мм с алмазами, другой конец оснащается трапециевидной резьбой для присоединения к колонковому буру;
• колонковая труба для размещения керна;
• переходник на трубчатую буровую колонну, собранную с помощью ниппельных или муфто-замковых соединений.

На торце наружной части колонны находится промывочный сальник. В инструмент для спуско-подъемных операций входят ключи различного назначения, подкладные вилки, элеваторы для захвата бурильных труб. Шлам выносится по затрубному пространству на поверхность водой или глинистым раствором, закачиваемым насосом высокого давления.

Установки колонкового бурения работают под разными углами в твердых массивах. Предельная глубина достигнута при бурении скважины на Кольском полуострове — 12226 м.

Существует несколько разновидностей кернового бурения:

1. Вращательный способ — алмазный, твердосплавный или бескерновый.
2. Ударно-вращательный с применением пневмо- и гидроударников.

Сферы использования подобной технологии

Подъем керна.

Подъем скального материала с глубоких горизонтов — главная область применения способа.

С его помощью решаются следующие задачи:

1. Поиски и геологическая разведка. Подъем керна выполняется с целью описания строения продуктивных пластов твердых полезных ископаемых, нефти, воды, газа и вмещающих горных пород. Керновый столб отражает последовательность и мощность слоев, что необходимо для построения геологического разреза. Скважины используют и для проведения геофизических исследований.
2. Изыскания гидрогеологические. При инженерных работах имеет значение, на какой глубине залегают грунтовые воды. Скальные промежутки преодолеваются с отбором проб или бескерновым способом.
3. Строительство скважин на воду. Направлений использования 2: увидеть гидрогеологический разрез будущего водозабора и использовать пройденную выработку небольшого диаметра для последующего расширения шнековой установкой.
4. Возведение свайных фундаментов. Применение колонкового бурения обосновывается так же, как при строительстве водяных скважин.
5. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых. Для уточнения контуров рудного тела из подземных выработок осуществляется колонковая проходка разведочных скважин с отбором керна.
6. Устройство цилиндрических проходов в бетонных сооружениях и кирпичных конструкциях. При сверлении алмазной коронкой получают отверстия в перегородках и перекрытиях зданий, имеющие ровные стенки и заданный размер.
7. Проходка шурфов Ø 400-1500 мм при строительстве колодцев различного назначения. Строительство шахтных стволов диаметром ≥4 м.

Керновое бурение используется также при изучении многослойных ледников Антарктиды, для определения возраста старых деревьев по годовым кольцам.

Суть технологии

Породоразрушающий снаряд — колонковый бур с коронкой. Керновый способ бурения является разновидностью роторного. Частоту вращения труб можно регулировать в зависимости от осложнений, возникающих на забое или в стволе скважины.

По заполнении полости бура горной породой инструмент поднимают для извлечения содержимого:

1. Керн в нижней части снаряда заклинивают, промывочный насос выключают.
2. Колонковый бур с помощью лебедки извлекают из скважины, разбирая колонну на звенья — свечи, состоящие из 2-4 бурильных труб. Их общая длина меньше высоты мачты на 3-5 м.
3. Коронку снимают со снаряда и осматривают на износ, при необходимости заменяют новой.
4. Образец породы вынимают из керноприемника, инструмент собирают, и колонну в обратном порядке опускают в скважину для продолжения бурения.

После того как керн извлекают, его промывают, измеряют, укладывают в керновые ящики. В маркировке каждого столбика указывают интервал скважины, на котором отобрана проба.

На больших глубинах применяется технология бурения трубами со съемным керноприемником. Цилиндр размещают внутри колонны, а при наполнении полости породой поднимают его на поверхность.

Другой способ сэкономить время на спуско-подъемных операциях — не извлекать образцы из недр, если проходка ведется на изученном интервале. В таких обстоятельствах используют бескерновое бурение. В мягких и средней твердости грунтах этот прием позволяет повысить скорость строительства скважины.

Этапы процесса

Проходка скважин.

Проходка скважин колонковым способом осуществляется с промывкой для удаления бурового шлама или без нее. В первом случае в состав оборудования установки включается насос высокого давления, что усложняет технологический процесс, но делает его более эффективным.

Бурение состоит из следующих этапов:

1. Подготовка площадки под размещение станка. Место забуривания очищают от мусора и посторонних предметов, выравнивают поверхность до горизонтального состояния.
2. Проходка шурфа для раствора и отвода потока жидкости. Яма располагается поблизости от будущей скважины и выкапывается на глубину ≥2 м. В тех же целях используют сварные баки или другие емкости.
3. Монтаж буровой установки, ее оснастка и сборка инструмента. Верхняя труба закрепляется во вращателе станка.
4. Бурение. Снаряд проникает в грунт за счет вращения и осевого давления, передаваемого на армированный торец коронки. Одновременно на забой скважины нагнетается вода или промывочный раствор.
5. Разгрузка керноприемника. В зависимости от применяемой технологии, действие выполняется с извлечением буровой колонны или без этой операции, если оснастка установки предполагает работу со съемным керноприемником. Извлекают породу из трубы, помогая высвобождению образца легкими постукиваниями молотка по корпусу цилиндра.
6. Возврат колонны или носителя керна в скважину и продолжение бурения с чередованием операций до достижения проектной глубины выработки.

Состав промывочной жидкости зависит от многих факторов, основные из них — тип применяемой коронки и состояние пересекаемых слоев породы. При алмазном бурении используют специальную эмульсию, в других случаях — глинистый раствор. Пересекая песчаный грунт, для укрепления стенок выработки в раствор добавляют жидкое стекло.

Замена мокрому удалению бурового шлама — выдувание его из скважины при помощи сжатого воздуха, подаваемого на забой выработки. Участки с неустойчивыми породами проходятся с применением обсадных труб.

Технологические особенности колонкового бурения

При вращательном способе проходки применяют забойные гидроударники и пневмоударники. Технология колонкового бурения имеет ряд особенностей, касающихся обустройства бурового снаряда.

Выдача проб на поверхность осуществляется разными методами. Есть технологии бурения со съемным керноприемником (ССК), с гидравлическим транспортом керна (КГК) или пневматическим (КПК).

Особенности применения алмазного бурения комплексами ССК:

• забуривание осуществляется шарошечным долотом, твердосплавной или алмазной коронкой без использования специальных бурильных труб для ССК;
• спуск снаряда приостанавливают за 30-50 см до забоя, после чего в колонну опускают керноприемник;
• промывка скважины начинается, когда расстояние от снаряда до забоя соответствует длине колонкового набора — 2,5-2,7 м;
• установка снаряда на забой производится после фиксации керноприемника на опорном кольце при вращении колонны со скоростью 120-150 об/мин и включенной промывке;
• осевая нагрузка на первых 3-5 см устанавливается на 25-30% ниже давления, рекомендуемого для входа пробы в кернорватель;
• промывочная жидкость представляет собой безглинистые эмульсионные растворы на технической воде, расход увеличивают в трещиноватом массиве и при возрастании скорости бурения;
• отрыв керна выполняют без вращения: колонну приподнимают на 10-15 см от забоя, момент отсоединения улавливают по весовому датчику бурового станка.

Подъем ССК и колонны производится на небольшой скорости с добавлением промывки в скважину, чтобы не нарушить устойчивость стенок выработки. В процессе бурения ведется постоянный контроль показаний контрольно-измерительных приборов.

Плюсы и минусы колонкового бурения

Для устройств, способных бурить скважины километровой глубины, станки колонкового типа являются сравнительно легкими и маневренными. Сложный рельеф местности для них не является препятствием. Постоянное совершенствование технологии и бурового инструмента сделали этот метод универсальным, способным заменить любой из других способов проходки скважин.

К преимуществам колонкового бурения относятся:

• цельность извлекаемых из выработки образцов породы;
• малый диаметр скважин, позволяющий достигать больших глубин;
• доступность разрушения грунтов различной крепости за счет возможности замены стальных коронок алмазным инструментом;
• способность бурить вертикальные (в том числе восходящие) и горизонтальные скважины;
• уменьшенная площадь резания массива обеспечивает высокую скорость проходки: часть породы не разрушается, а извлекается целиком.

К недостатку колонкового способа бурения относят необходимость применения глинистого раствора при строительстве водозаборных скважин, увеличивающая риск заиливания водоносного пласта промывкой. Чтобы избежать этого, можно использовать сухое удаление частиц породы.