Методические рекомендации к главе «Буровые работы».

Министерство образования и науки Республики Казахстан Геологоразведочный колледж. Методические рекомендации к выполнению курсового и дипломного проектов к главе «Буровые работы». По специальности 0703 «Гидрогеология и инженерная геология». Семей 2011 год. Рассмотрено на заседании ГБ ПЦК Приказ №________от____________ Председатель ГБ ПЦК : _____________ Составил преподаватель спец. дисциплин : Кимкина В.М. Состав буровых работ при бурении на воду               При бурении скважин на воду независимо от способа бурения к основным видам работ можно отнести: подготовительные работы и обустройство буровых установок; выбор типа долота; подбор осевой нагрузки и частоты вращения бурового инструмента; создание условий работы бурильной установки; промывку скважины (при роторном бурении); спуск обсадных колонн (крепление скважины); цементирование затрубного пространства; вскрытие водоносного горизонта; обустройство фильтра; опытные откачки; освоение скважины. В настоящее время в практике бурения скважин на воду наибольшее распространение получили следующие способы бурения: ударно-канатный; роторный (беспрерывное вращательное бурение) - с прямой промывкой глинистым раствором или водой, с обратной промывкой водой, с продувкой сжатым воздухом, шнековый; колонковый (периодическое вращательное бурение). Рекомендации по выбору способа бурения приведены в таблице 1. Таблица 1 Способ бурения Условия применения Ударно-канатный В рыхлых породах до 150 м, в скальных более 150 м Вращательный (роторный) с В хорошо изученных и надежно прямой промывкой глинистым раствором опробованных водоносных горизонтах, сложенных рыхлыми породами до 1000- 1200 м Вращательный (роторный) с прямой промывкой водой В устойчивых скальных породах до 1000- 1200 м Вращательный (роторный) с обратной промывкой водой В рыхлых породах, не содержащих валунов размером более 150 мм, до 300- 400 м Колонковый В скальных породах до 150-200 м Колонковое бурение (периодически вращательное) применяют редко ввиду малого диаметра скважин. Этот способ состоит из разрушения пород в забое скважины истиранием с помощью дроби и последующем выносе керна буровым инструментом. Шнековое бурение - это бурение скважины с помощью вращательного бурового станка, снабженного вместо обычных буровых штанг шнеком, т.е. винтовыми штангами, служащими также в качестве транспортера для подъема на поверхность выбуриваемой на забое скважины горной породы. Шнековый способ используют для бурения скважин до 30 м и наличии рыхлых песчано-глинистых пород. Цементирование скважин    При креплении скважин стальными, асбестоцементными трубами затрубное пространство обязательно цементируют. Это повышает прочность конструкции скважин и исключает связь отдельных водоносных горизонтов, вскрытых скважиной. Последнее обстоятельство имеет особое значение, так как предотвращает истощение и загрязнение подземных вод. Кроме того, цементное кольцо изолирует обсадную колонну от корродирующего влияния подземных вод. Цементирование скважин осуществляют, как правило, до устья скважины, так как подбашмачная цементация не решает ранее перечисленные задачи. Тампонажные цементы выпускают для «холодных» скважин с температурой забоя до 40°С, для «горячих» скважин с температурой забоя до 75°С и для глубоких скважин с температурой забоя 100— 120°С. Цемент для «холодных» скважин должен обеспечивать начало схватывания не ранее чем через 3 часа и не позднее чем через 77г часа после затворения; конец схватывания — не позднее чем через 3 часа после начала схватывания; сопротивление изгибу через двое суток 2,7 МПа. Цемент для «горячих» скважин должен обеспечивать начало схватывания не ранее чем через 13Д часа и не позднее чем через 23Д часа после затворения; конец схватывания — не позднее Р/2 часа после начала схватывания; сопротивление изгибу 6,2 МПа. В зависимости от природных условий применяют различные цементы. Так, песчанистый цемент представляет смесь тампонажного цемента с кварцевым песком в количестве до 20%. Такой цемент обладает плотным контактом с горными породами благодаря отсутствию давления усадки и применяется для цементирования направлений и кондукторов. Волокнистый цемент — смесь тампонажного цемента с волокнистыми добавками асбеста, бумаги, тростника и других веществ в количестве 1—3% от общей массы. Такой цемент находит применение, если надо уменьшить глубину проникновения в трешиноватые породы с малым пластовым давлением или ликвидировать поглощение промывочной жидкости. Расширяющиеся цементы увеличивают объем при твердении до 2% и используются для создания непроницаемого и прочного цементного камня. Пуццолановые цементы, отличающиеся высокой стойкостью в сульфитных водах и большой водопроницаемостью, применяют при изоляционных работах. Такие цементы получаются при добавке в тампонажные цементы диатомита, трепела и др. Утяжеленный тампонажный цемент применяют в скважинах, которые бурят утяжеленными глинистыми растворами с плотностью до 2,2 г/см3. В качестве утяжелителя используют гематит. Сроки схватывания цементного раствора регулируются специальными добавками. В качестве замедлителей схватывания используют различные поверхностно-активные вещества, сульфитно-спиртовую барду и др. Замедлители схватывания применяют при цементировании глубоких скважин, при работе с низкопроизводительными цементировочными насосами, при цементировании скважин, пробуренных на термальные воды. При цементировании неглубоких скважин с невысокой забойной температурой в качестве ускорителей схватывания цементного раствора используют NaCl и СаС12 в количестве 2% по массе. Важным показателем цементного раствора является водоцементное отношение, т. е. отношение массового количества воды к массовому количеству сухого цемента. Водоцементное отношение обычно составляет 0,4—0,5. Нижний предел его характеризуется снижением текучести, а верхний — понижением прочности цементного камня и увеличением срока схватывания. Сухой цемент (ГОСТ 1581—63) имеет плотность около 3,15 г/см3, хранение его в мокрых и влажных помещениях недопустимо. Проверку основных свойств цемента проводят путем замешивания проб раствора и определения сроков начала и конца схватывания, а также прочностных характеристик. Ареометром определяют плотность раствора, прибором Вика — растекаемость. В практике бурения скважин под воду наиболее распространена одноступенчатая (нормальная) схема цементирования с одной и двумя пробками. Цементировочные головки (рис. 10) применяют для цементирования и промывок колонны. Процессу цементирования должна предшествовать опрессовка цементировочной головки на давление, превышающее в 1,5 раза максимальное расчетное, в течение трех минут. Вначале в цементировочную головку опускают нижнюю пробку, затем после закачки в колонну необходимого объема цементного раствора начинают его продавливание. Существуют две схемы продав-ливания: с одной и двумя пробками. Первую схему (рис. 11) применяют при цементировании скважин глубиной до 100—150 м, при цементировании же более глубоких скважин эта схема приводит к перемешиванию цементного раствора и продавочной жидкости, что, в свою очередь, снижает качество цементации. Широкое распространение получила схема с двумя пробками (рис. 12). После промывки и установки нижней пробки проводят закачку необходимого объема цементного раствора и устанавливают верхнюю пробку. Затем осуществляют продавливание цементного раствора в затрубное пространство. После того как верхняя пробка дойдет до кольца «стоп», давление на манометре резко повышается, что служит окончанием цементации. В качестве продавочной жидкости обычно используют глинистый раствор. При цементировании учитывают количество закачиваемой продавочной жидкости, чтобы до прокачки оставшихся 0,5—1,0 м3 перейти на работу с одним насосом и избежать гидравлического удара в системе труб. Перед цементированием для улучшения сцепления цементного камня со стенками скважины ее целесообразно промыть раствором плотностью не более 1,1 г/см3 или водой. После окончания цементирования колонну оставляют в покое на 24 часа, после чего испытывают на герметичность. Чтобы обеспечить хорошее сцепление цементного рас твора со стенками скважины, на обсадной колонне устанавливают пружинные и другие конструкции скребков, которые при спуске удаляют глинистую корку со стенок скважины Сочетание центрирующих фонарей и пружинных скребков обеспечивает необходимое качество цементирования В сложных гидрогеологических условиях сцепление цементной оболочки с обсадными трубами может быть непрочным, что приводит к затрубной циркуляции подземных вод и нарушению герметичности в затрубном пространстве В таких случаях внешнюю поверхность труб рекомендуется перед спуском покрывать битумно песчаной смесью (Овнатанов, 1970) Объем цементного раствора Уцр, необходимый для цементирования скважины, определяют по формуле где К — коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного раствора за счет наличия трещин, каверн и увеличения диаметра скважины при бурении, К= 1,2—2,5, h—интервал цементирования (высота подъема цементного раствора), см, D— диаметр бурения, см, d, d1 — соответственно наружный и внутренний диаметры обсадных труб, см, h0 — высота цементного стакана в обсадных трубах, см Важным показателем является скорость подъема цементного раствора Необходимо создать турбулентный режим движения раствора в затрубном пространстве, при котором будет происходить наиболее полное вытеснение глинистого раствора. Для кондукторов и промежуточных обсадных колонн скорость цементного раствора должна быть не менее 1,5 м/с, а для эксплуатационных колонн — не менее 1,8— 2,0 м/с При возникновении опасных поглощений цементного раствора скорости восходящего раствора снижают Цементировочные пробки изготовляют из дерева и резины. Производительность цементировочного агрегата Qц.а должна удовлетворять условию: где v — скорость цементного раствора в затрубном пространстве, равная 1,5—2,0 м/с. Если требуемая производительность цементировочного агрегата выше паспортной, то подбирают более мощный агрегат или применяют несколько агрегатов. Для бурение артезинанских скважин рекомендуется иметь один цементировочный агрегат в запасе. Количество продавочной жидкости Vпр обычно подсчитывают по формуле: где k — коэффициент запаса, равный 1,03—1,05; H1— глубина установки кольца «стоп». Давление Р, развиваемое насосом перед посадкой верхней пробки на «стоп», определяют по формуле: где Р1 — давление, необходимое для преодоления разности плотностей жидкости в затрубном зазоре и трубах, МПа; P2 — давление, необходимое для преодоления сопротивлений, МПа. где yi — плотность промывочной жидкости в затрубном пространстве, г/см3; y2 — плотность продавочной жидкости, г/см3; L — глубина скважины, см. При использовании одного-двух цементировочных агрегатов P2 = 0,01L+0,8 МПа. В случае применения трех и более цементировочных агрегатов P2=0,02L+1,6 МПа. Продолжительность работы по цементированию определяют по формуле: где Тз, Тпр, Ту — продолжительность соответственно закачки цементного раствора, продавки и установки верхней пробки. Tу=10— 15 мин. где n — число цементировочных агрегатов; Qц.а — производительность цементировочного агрегата, м3/мин; Vпр — количество продавочной жидкости, м3. Продолжительность цементирования должна удовлетворять условию: где Tсхв — время схватывания цементного раствора (Tсхв = 90 мин). Закачку цементного раствора обычно ведут на I или II скорости насоса, в дальнейшем переходя на более высокие. Продавливание же цементного раствора начинают с высоких скоростей насоса, постепенно переходя на низкие, что связано с ростом давлений на продавливание. В практике глубокого бурения (более 2 тыс. м) при наличии поглощающих пластов и в других случаях применяют двухступенчатое цементирование. Манжетное цементирование нашло распространение в одноколонных конструкциях скважин и др. В обсадной колонне устанавливают обратный клапан с отверстиями для выхода цементного раствора и манжету, представляющую собой воронку, изготовленную из брезента, высотой 60—70 см и диаметром на 25—35% больше диаметра бурения. При необходимости подбашмачного цементирования, отсутствии цементировочного агрегата или достаточно мощного бурового насоса, можно применять цементирование с помощью заливочных трубок (рис. 13). Эта схема проста и не требует специального оборудования. Востокбурводом разработан (Миронов, 1972) и применяется на практике снаряд для цементирования обсадных колонн без оставления цементного стакана. Цементный раствор закачивается по бурильным трубам через отверстия и манжету в затрубное пространство, после этого буровой инструмент с цементировочной головкой приподнимают на несколько метров и промывают обсадные трубы. Рис 13. Схема цементирования с помощью заливочных трубок /— ствол скважины; 2 — обсадная колонна, 3 — заливочные трубки; 4 — манометр, 5 — крышка Цементный раствор приготовляют цементно-смесительными машинами. Наибольшее распространение получили машины СМН-20, смонтированные на шасси автомашины МАЗ. Бункер емкостью 20 т сухого цемента в нижней части имеет смесительное и подающее устройства. Производительность машины 0,8—1,6 м3/мин. Закачку цементного раствора и его продавливание осуществляют цементировочными агрегатами (рис. 14). Техническая характеристика наиболее распространенных цементировочных агрегатов приведена в таблице 10. Существенный недостаток полимерных труб — их невысокая адгезия, приводящая к непрочному сцеплению цементного камня с трубами. Один из путей решения этой задачи — модифицирование поверхности, например механическая или химическая очистка полимера от низкомолекулярных загрязнений, обеспечивающая большую площадь контакта и эффективную адсорбцию. Одним из наиболее простых и эффективных механических способов обработки труб является пескоструйная обработка, однако этот способ довольно трудоемкий. Очистка поверхности труб с помощью растворителей, например ксилолпо-лиэтилена, увеличивает прочность адгезионного соединения до двух раз. Адгезия возрастает при обработке коронными или тлеющими разрядами. Это не только удаляет загрязнение с поверхности труб, но и изменяет химический состав полимера за счет обогащения его кислородсодержащими группами. В настоящее время в различных организациях ведутся работы по разработке рациональной технологии крепления скважин трубами из полимерных материалов (Сутягин, Тюпин, 1974). Пластиковые фильтры для артезианских скважин,  пластмассовые фильтры буровых скважин, фильтры для  скважин на воду. Основные требования, предъявляемые к фильтрам буровых скважин Производительность скважин, их устойчивая работа во многом зависят от устройства водоприемной части. В водоносных породах, представленных неустойчивым ; скальными и полускальными породами, а также в рыхлых породах — гравелистых, галечниковых, песчаных грунтах и песках — водоприемную часть, как правило, оборудуют фильтрами. Фильтры должны отвечать следующим основным требованиям:      обеспечивать свободный доступ воды в скважину, но при этом надежно защищать ее от пескования и обрушений водовмещающих пород; материал фильтров должен быть устойчив против коррозии, допускать обработку скважин кислотами, а в скважинах питьевого водоснабжения не ухудшать качества воды, быть достаточно прочным, чтобы воспринимать горное давление, давление фильтрационного потока и противостоять абразивному истиранию частицами породы; конструкция фильтра должна быть технологична в изготовлении при наименьшем расходе дефицитных материалов и применима в возможно широком диапазоне гидрогеологических условий; при всем этом она должна иметь хорошие технико-экономические показатели. В историческом развитии стремление удовлетворить перечисленные выше требования привело к созданию разнообразных конструкций фильтров. В. М. Гаврилко (1968) классифицирует фильтры по конструктивному признаку на пять групп: щелевые и дырчатые из труб, из листовых материалов и стержней, из антикоррозионных материалов, сетчатые, гравийные и гравитационные. Существуют так же классификации отдельных конструкций фильтров, например гравийных, блочных, сетчатых, антикоррозионных, классификации с позиций их гидравлических сопротивлений. Фильтровые скважины оборудуются фильтрами различной конструкции с тем, чтобы   обеспечить   благоприятные   условия   для   притока   воды,   уменьшения пескования   и   глинизации   скважины.   Фильтры   должны   обеспечивать   дол­ говечную работу скважины, и их тип определяется характером фильтрующей поверхности. Для песчаных водоносных горизонтов применяются следующие типы:   проволочный   и   сетчатый   фильтры   на   перфорированном   трубчатом каркасе; фильтры с коническими и щелевыми отверстиями (ФКО, ФЩО), а также фильтры с песчано­гравийной обсыпкой. Выбор   типа   фильтра   производится   в   зависимости   от гранулометрического состава пород водоносного горизонта в соответствии с табл. 3.1. Типы фильтров в зависимости от грансостава пород Таблица 3.1 Водоносные породы Типы фильтров Гравелистые   пески   крупнозернистые   с преобладающим диаметром частиц  0,5 – 10,0 мм (более 50 % по массе) Фильтры с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки на перфорированном трубчатом каркасе и ФЩО Пески   среднезернистые   с   преобладающим диаметром   частиц   от   0,25   до   0,5   мм   (более 50 % по массе) Фильтры с водоприемной поверхностью из сеток   квадратного   плетения   на перфорированном   трубчатом   каркасе, ФЩО, ФКО Пески   мелкие   с   преобладающим   диаметром частиц 0,1 – 0,25 мм (более 50 % по массе) Фильтры   с   песчано­гравийной   обсыпкой, ФКО, ФЩО Конструкция, размеры и материал фильтра принимаются в зависимости от ожидаемого дебита скважины, мощности водоносного горизонта и химизма подземных вод. При   агрессивных   водах   с   большим   содержанием   углекислоты, сероводорода   и   кислорода   элементы   фильтров   скважин,   передаваемых   в эксплуатацию,   следует   изготовлять   из   нержавеющей   стали   или   других материалов, стойких к коррозии и обладающих необходимой прочностью. При   выборе   типов   фильтров   предпочтение   следует   отдавать   тем фильтрам,   которые   создают   минимальные   входные   сопротивления. Наибольшим   сопротивлением   обладают   сетчатые   фильтры.   Скважность фильтров, как фильтрующей поверхности, так и трубчатого каркаса, должна составлять   15   –   25   %.   Размеры   проходных   отверстий   фильтрующих поверхностей   определяются   по   табл.   Скважность   фильтров наблюдательных и режимных скважин должна быть не менее 5 %.   3.2. Таблица 3.2 Размеры проходных отверстий фильтрующих поверхностей Типы фильтров Размеры проходных отверстий в мм     с Фильтр водоприемной поверхностью   из   проволочной обмотки   или   сетки   квадратного плетения Фильтры   с   водоприемной поверхностью   сеток квадратного   плетения   на перфорированном   трубчатом каркасе, ФКО, ФЩО  из   При коэффициенте При коэффициенте неоднородности песка 2 неоднородности песка >2 1,25 d 50 1.5 d 50 (1,5­2,0)d50 (2.0­2.5)d50  = d60/d10  d50, В   табл.   3.2  d10,  d60   –   диаметр   частиц,   соответствующий 10, 50, 60­%­ному содержанию от суммы всех  частиц водоносной породы. Процентное   частиц   определяется   по   данным гранулометрического  анализа песков, меньшие размеры проходных отверстий относятся к мелким пескам, большие – к крупным. содержание   Во   всех   типах   фильтров   применяются   перфорированные   трубчатые каркасы,   изготовляемые   из   обсадных   труб   необходимого   диаметра.   При изготовлении   трубчатых   каркасов   со   щелевой   перфорацией,   к   ним предъявляются   те   же   требования   по   скважности,   что   и   для   каркасов   с круглой   перфорацией.   При   этом   ширина   щели   должна   соответствовать диаметру отверстия, щели располагаются в шахматном порядке. Проволочный   фильтр   состоит   из   перфорированного   трубчатого каркаса,   продольных   опорных   ребер   и   фильтрующей   поверхности   из спиральной   проволочной   обмотки.   На   каркас   накладываются   продольные проволочные   ребра   (или   наматывается   опорная   проволочная   спираль) диаметром 3 – 6 мм, чтобы проволочная обмотка не прилегала к нему плотно (что резко снижает скважность фильтра). Расстояние между ребрами 15 – 20 мм.   Проволочные   опоры   крепятся   на   трубчатом   каркасе   зачеканкой   или сваркой.   Фильтрующая   поверхность   создается   намоткой   спиральной проволоки диаметром 1 – 3, 2 – 4, 2 – 5 мм (чем больше диаметр трубчатого каркаса, тем больше диаметр проволоки).  Для скважин, передаваемых в эксплуатацию, проволочную обмотку следует изготовлять  из нержавеющей стали. Сетчатые   фильтры   представляют   собой   перфорированный   каркас (дырчатый щелевой), покрытый фильтровой сеткой. Для того чтобы сетка не соприкасалась   с   каркасом   под   давлением   водоносных   пород   (что   резко снижает скважность фильтра), на каркас накладывается проволочная опорная обмотка или проволочные продольные стержни диаметром 3 – 4 мм, концы которых закрепляются зачеканкой или сваркой. Расстояние между витками опорными ребрами составляет 15 – 20 мм. Фильтровая сетка накладывается на   опорную   проволоку   и   припаивается   к   трубчатому   каркасу.   Если   сетка латунная, то во избежании активной коррозии она укрепляется на каркасе не пайкой, а сшивкой медной проволокой. Основные данные проволочных сеток квадратного плетения нормальной точности приводятся в табл. 3.3. Подбор   сеток   производится   по   гранулометрическому   составу водосодержащих   пород   в   соответствии   с   табл.   3.2   или   просеивании водоносного песка через сетку. Пригодной принимается сетка, пропускающая через   отверстия   40   –   80   %   массы   пробы   водоносного   песка.   Скважность фильтровых сеток заводского изготовления превышает 25 %. Гравийные   фильтры   состоят   из   дырчатого   или   щелевого   трубчатого каркаса,   проволочной   обмотки   и   песчано­гравийной   обсыпки,   которая является   фильтрующей   средой.   Обсыпка   подбирается   в   соответствии   с гранулометрическим составом пород водоносного горизонта по соотношению где D 50 – диаметр частиц, соответствующих 50 ­ %­ному содержанию D 50 / d 50 = 812, от суммы всех частиц обсыпки. Конечный внутренний диаметр скважины должен быть больше внешнего диаметра каркаса фильтра с проволочной обмоткой не меньше чем на 100 мм. Расчет   необходимого   количества   обсыпки   должен   обеспечивать заполнение кольцевого зазора между фильтром и стенкой скважины на 5 – 10 м   выше   фильтра.   Расчет   количества   обсыпки   (  V  )   производится   по следующей формуле:                      ,                   ( d 2 1  d 2 2  l 2 l 3 ) V (3.1)  )( l 1 4 где  d1  –   внутренний   диаметр   скважины,   в   которой   устанавливается фильтр, м;  d2  – наружный диаметр фильтра, м;  l1,  l2  – длина наружного фильтра,   м;  l3  –   превышение   глубины   обсыпки   над   верхом   фильтра, учитывающее ее расход на вынос песка при откачке и заполнении каверн в стенках скважины, м. Если фильтр устанавливается в обсадной колонне (скважина ударно­ механического   бурения),   то   обсыпка   производится   с   одновременным подъемом   обсадных   труб   до   полного   обнажения   фильтра.   Если   скважина пройдена   с   глинистым   раствором,   то   после   спуска   каркаса   фильтра производится   интенсивная   промывка   затрубного   пространства   скважины через забой до начала выноса водоносного песка. После начала выноса песка и поглощения промывочной жидкости производится засыпка песчано­гравийной смеси. Фильтры   ФКО   и   ФЩО   следует   применять   для   каптажа   водоносных горизонтов       сложенных       средне­,        мелко­       и       тонкозернистыми песками.   Основные данные проволочных сеток Таблица 3.3 Номер сетки Диаметр прово­ локи, мм Число проволоки на 26 мм сетки Число ячеек на 1см2 сетки Номинальный размер стороны ячейки в свету, мм Сечение сетки, % Масса 1м2 латунной сетки, кг 2,6 2,5 2 1,6 1,25 1 0,9 0,8 0,71 0,63 0,6 0,56 0,5 0,45 0,42 0,4 0,335 0,315 0,28 0,25 0,224 0,2 0,18 0,16 0,15 0,14 0,125 0,112 0,105 0,1 0,5 0,5 0,5 0,45 0,4 0,35 0,35 0,3 0,3 0,25 0,25 0,23 0,22 0,18 0,15 0,15 0,15 0,14 0,14 0,13 0,13 0,13 0,13 0,12 0,1 0,09 0,09 0,08 0,075 0,07 32,3 33,3 40 49 59 74 80 91 99 114 118 126,5 139 159 125,5 182 200 222 238 264 278 303 323 385 400 435 465 515 566 588 10,4 11,2 16 23,8 34,6 54,9 64 82,6 98 130 139 160 193 252 308 331 400 494 567 694 763 981 1040 1480 1600 1890 2130 2630 3140 3460 2,6 2,5 2 1,6 1,25 1 0,9 0,8 0,7 0,63 ­ 0,56 0,5 0,45 0,42 0,4 0,355 0,315 0,28 0,25 0,224 0,2 0,18 0,16 ­ 0,14 0,125 0,112 ­ 0,1 70,3 70 64 60,8 58,5 55 41,3 53 48 48 49,8 51 48,2 50,9 54 53 49 46 44,5 43,3 40,8 36,7 33,8 32,7 36 38 33,8 34,7 37 34,6 1,14 1,18 1,41 1,39 1,33 1,23 1,38 1,2 1,27 1 1,04 0,97 0,94 0,72 0,55 0,58 0,63 0,61 0,65 0,62 0,66 0,72 0,76 0,72 0,56 0,56 0,54 0,46 0,43 0,4 В плывунах ФКО и ФЩО не применяются. ФКО предназначен для установки в   гидрогеологических   скважинах   непродолжительного   действия   –   от нескольких месяцев до 1,5 лет. Оборудовать разведочно­эксплуатационные скважины   ФКО   не   следует.   Фильтры   ФЩО   со   скважностью   10  –   15   % рекомендуются для оборудования в крупнозернистых песках.   Водоприемной поверхностью ФКО и ФЩО является смонтированная на перфорированном каркасе металлическая оболочка с просеченными на ней отверстиями   в   виде   усеченных   конусов.   Оболочка   изготовляется   из тонколистовой нержавеющей или оцинкованной стали толщиной 0,5 – 0,7 мм и   закрепляется   на   каркасе   с   помощью   концевых   и   промежуточных   колец. Диаметры отверстий (dотв) подбираются из соотношений  dотв/d  50 = 1617. Скважность оболочки изменяется от 2 до 8 %. Характеристика ФКО приведена в табл. 3.4. Характеристика фильтров ФКО Таблица 3.4  Маркировка Наи­ больший диаметр фильтра, мм Диаметр конических отверстий, мм Расстояние между отверстиями, мм Скважность,% Масса, кг ٭-89)٭٭ ФКО­Т( ФКО­ М ­89 ФКО­ С ­89 ФКО­ Т –108 ФКО­ М –108 ФКО­ С ­108 ФКО­ Т­127 ФКО­ М­127 ФКО­ С­127 ФКО­ Т­146 ФКО­ М­146 ФКО­ С­146 ФКО­ Т­168 ФКО­ М­168 ФКО­ С­168 ФКО­ Т­194 ФКО­ М­194 ФКО­ С­194 ФКО­ Т­219 ФКО­ М­219 ФКО­ С­219 37 37 39 48 48 50 59 59 61 68 68 71 115 118 118 133 133 133 152 152 157 ٭) Т, М,С – пески, соответственно, тонкозернистые, мелкозернистые и среднезернистые; 219   1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 1,0­0,2 1,5­0,2 2,0­0,2 6х6 8х8 10х10 6х6 8х8 10х10 6х6 8х8 10х10 6х6 8х8 10х10 6х6 8х8 10х10 6х6 8х8 10х10 6х6 8х8 10х10 2,14 2,76 3,14 2,14 2,76 3,14 2,14 2,76 3,14 2,14 2,76 3,14 2,14 2,76 3,14 2,14 2,76 3,14 2,14 2,76 3,14 101 101 101 120 120 120 139 139 139 158 158 158 180 180 180 206 206 206 231 231 231  – наружный  диаметр каркаса. 194- 168- 148- 127- 108- ٭٭ (89- Перед   установкой   фильтра   необходимо   проверить   состояние фильтрующей оболочки. Не допускается применять фильтры с диаметрами отверстий,   не   соответствующих   допускам   в   табл.   3.2   или   с   трещинами. Загрязненные отверстия фильтра следует промыть напорной струёй воды и прочистить металлической щеткой. Транспортировку фильтров производят в специальной   упаковке,   предохраняющей   фильтр   от   механических повреждений. Интервал   установки   фильтров   выбирается   по   данным   наблюдений   в процессе   проходки   скважин   и   результатам   комплексных   геофизических исследований.   Режимная   скважина   должна   быть   оборудована   фильтром   с таким расчетом, чтобы он не осушался при самом низком положении уровня подземных   вод.   При   оборудовании   центральной   совершенной   скважины рабочая часть фильтра устанавливается на расстоянии 0,25 – 0,5 м от кровли и подошвы водоносного горизонта. Если подземные воды (для хозяйственно­ питьевых целей) не защищены с поверхности водоупорными слоями, рабочую часть фильтра центральной скважины следует располагать преимущественно в нижней части водоносного горизонта. При мощности водоносного горизонта более         30 – 50   м рабочая часть фильтра центральной скважины должна располагаться в середине изучаемого водоносного горизонта. При определении гидрогеологических параметров однослойного пласта фильтры   наблюдательных   скважин   должны   быть   по   длине   равны   фильтру центральной скважины и установлены в одном с ним интервале водоносного горизонта.   Как   крайний   случай,   фильтр   наблюдательных   скважин   может оказаться меньше длины фильтра центральной скважины (если пласт сложен однородной породой), но в этом случае его следует установить так, чтобы он оказался на уровне средней части фильтра центральной скважины, При   определении   гидрогеологических   параметров   однородно анизотропных пород, когда они характеризуются коэффициентом фильтрации в горизонтальном направлении, большим, чем в вертикальном, оборудование опытного куста должно удовлетворять следующим условиям: а) фильтр центральной скважины располагается в середине изучаемого водоносного горизонта; б)   фильтры   наблюдательных   скважин   располагаются   на   двух горизонтах:   середина   одного   ряда   фильтров   наблюдательных   скважин   на плоскости, проходящей через середину фильтра центральной скважины, а фильтры второго ряда ­ выше или ниже фильтра центральной скважины. В конструкции центральной  и  наблюдательных  скважин  должна  быть предусмотрена тщательная изоляция исследуемого водоносного горизонта от вышележащих   горизонтов   и   от   проникновения   воды   с   поверхности.   Если фильтровая колонна труб опущена ''впотай'', то верхняя часть надфильтровой трубы   должна   находиться   выше   башмака   обсадной   (эксплуатационной) колонны не менее чем на 3м при глубине скважины до 30 м и не менее 5 м при большей глубине. Кольцевой зазор между фильтровой и обсадкой колоннами должен быть оборудован сальником. Внутренний   диаметр   колонны   труб,   в     которую   опускается   фильтр, должен быть больше   наружного диаметра фильтра не менее чем на 50 мм. При роторном бурении диаметр скважины должен быть больше наружного диаметра фильтра не более чем на 100 мм.  Диаметр   фильтровой   колонны   центральных   и   одиночных   скважин зависит   от   диаметра   водоподъемника,   обеспечивающего   необходимую степень  возмущения.  Диаметр   фильтра   центральных  и   одиночных  скважин должен   способствовать   получению   максимального   дебита   при   откачке, исключая   возникновение   высоких   входных   скоростей   фильтрации, превышающих   предельные   допустимые   величины.   При   выборе   диаметра наблюдательных   скважин   следует   исходить   из   диаметра   измерительной аппаратуры и оборудования для производства прокачек или пробных откачек. При мощности водоносного горизонта менее 10 м длина рабочей части фильтра должна приниматься равной мощности водоносного горизонта. При мощности водоносного горизонта более 10 м длина рабочей части фильтра определяется расчетом. Для   песчано­гравелистых   отложений   длина   рабочей   части   фильтра определяется, согласно формуле                         ,                                                      l  /Qd  (3.2) где  Q – дебит  скважины, м3/ч;        d – наружный  диаметр фильтра,мм;   –   эмпирический     коэффициент,   зависящий   от   гранулометрического состава и фильтрационных свойств водоносных пород (табл. 3.5) Значение коэффициента  для песчано­гравелистых пород Таблица 3.5  Порода Коэффициент фильтрации К, Песок мелкий Песок средний Песок крупный Гравий  м/сутки 2­5 5­15 15­30 30­70 Коэффициент,  90 60 50 30 Для центральных скважин отношение общей площади отверстий ко всей поверхности фильтрующей части трубы (скважность) должно составлять не менее 15 %. Оптимальная скважность принимается в пределах 20 – 25 %. Скважность для наблюдательных скважин можно принимать не менее 5 %. С целью   уменьшения   пескования   в   наблюдательных   скважинах   применять фильтры типа ФКО, а в центральных – ФЩО. В зависимости от гранулометрического состава водовмещающих пород в табл. 3.6  рекомендуются соответствующие типы фильтров. Рекомендуемые типы фильтров Таблица 3.6 Водоносные породы Полускальные щебенистые и галечниковые Гравий и гравелистый песок   неустойчивые Пески крупнозернистые Пески среднезернистые Пески мелкозернистые Применяемые типы и конструкции фильтров Трубчатые – с круглой или щелевой перфорацией. Стержневые Такие же фильтры, но с проволочной обмоткой из нержавеющей   стали   или   с   водоприемной поверхностью из штампованного листа Трубчатые с щелевой перфорацией и стержневые с проволочной   обмоткой   с   водоприемной поверхностью   из   штампованного   листа   или   сетки квадратного плетения Трубчатые и стержневые – с водоприемной частью из   сеток   гладкого   (галунного)   плетения   или   с однослойной   гравийной   обсыпкой   (гравийные фильтры) или типа ФЩО Трубчатые   и   стержневые   –   с   одно­,   двух­   или трехслойной   песчаной   или   песчано­гравийной обсыпкой (гравийные фильтры) или типа ФКО Для   осаждения   остающихся   в  фильтре   частиц   породы   ниже   рабочей части фильтра устанавливается отстойник – глухая труба. Нижнее отверстие отстойника плотно забивается сухой пробкой из дерева твердой породы. Длина отстойников  приведена в табл. 3.7. Рекомендуемая длина отстойников Таблица  3.7 Глубина скважины, м До 15 16­30 31­90 Более 90 Длина отстойника 1,5­2 Не менее 3 Не менее 5 Не менйее 10 При монтаже фильтры должны иметь направляющие фонари (скобы), которые обеспечивают их расположение по центру скважины и предохраняют от повреждения во время спуска. Перед спуском фильтровой колонны ствол скважины должен быть прошаблонирован и очищен от бурового шлама. Фильтр устанавливается в скважину сразу же по окончании бурения и проведения каротажных исследований. Деглинизацию скважин вращательного бурения необходимо начинать сразу после установки фильтра и проводить ее без   перерыва.   Фильтр   может   устанавливаться   либо   на   эксплуатационной колонне   труб   (если   диаметр   этой   колонны   позволяет   применить   насос требуемой   производительности),   либо   “впотай”.   Во   втором   случае фильтровая колонна опускается на обсадных трубах или штангах, используя муфту (ниппель) с левой нарезкой. Крепление скважин  Конструкция скважины на воду Выбор и обоснование конструкции скважин — важнейшие мероприятия, от которых зависят качество выполняемых работ, их экономичность. Конструкции артезианских скважин в зависимости от назначения должны отвечать определенным требованиям. Так, конструкции разведочных скважин должны обеспечивать: высококачественное опробование всех или в зависимости от назначения некоторых из вскрытых водоносных горизонтов; экономичность (стоимость применяемых материалов, трудовые затраты и др.); наименьший по возможности диаметр ствола скважины; повторное использование фильтра и обсадных труб; простоту ликвидации скважины и высококачественный ликвидационный тампонаж.      Конструкции эксплуатационных скважин должны обеспечивать:        высококачественное вскрытие продуктивных водоносных горизонтов с целью их эксплуатации при минимальных сопротивлениях прифильтровых зон; длительный срок эксплуатации и минимальный темп снижения производительности; выполнение ремонтных и восстановительных работ; тщательную изоляцию водоносных горизонтов друг от друга, за исключением тех, которые эксплуатируются совместно; экономичность (стоимость применяемых материалов, трудовые затраты и др.); минимально возможный диаметр ствола скважины; наименьшие сопротивления при подъеме воды насосом. Таким образом, приведенные требования к конструкциям скважин весьма специфичны и в ряде случаев находятся в сложной зависимости между собой. Поэтому выбор и обоснование той или иной конструкции скважин должны базироваться на тщательной оценке всех факторов и в первую очередь тех, которые для конкретных условий производства работ являются главными. Построение конструкции скважины начинают с прифильтровой зоны после определения конечного диаметра скважины, типа и конструкции прифильтровой зоны. Конечный диаметр, как известно, должен обеспечивать определенную производительность и проведение необходимого комплекса гидрогеологических исследований и наблюдений. Тип и конструкция фильтра зависят от водовмещающих пород, химического состава подземных вод, возможного срока службы фильтра и др. Для эксплуатационных скважин проводят тщательную затрубную цементацию, что исключает, с одной стороны, связь отдельных водоносных горизонтов между собой, их загрязнение и смещение, а с другой — повышает антикоррозионные свойства обсадных труб и увеличивает срок их службы. Диаметр долота в этом случае определяют из условия: Dд = Dм + 2b, (1) где Dд — диаметр долота, мм; Dм — диаметр муфты обсадной трубы, мм; b — зазор, мм. При 250 мм б = 20—50 мм. Чем больше выход колонн, тем больше принимается зазор. В последние годы при бурении скважин на нефть и газ применяют уменьшенные значения зазоров — 7—15 мм. Однако это возможно только при использовании высококачественных цементных растворов и правильной технологии цементирования скважин. Первая колонна — кондуктор служит для крепления верхних интервалов ствола скважины и устья. Эксплуатационная колонна обеспечивает крепление ствола скважины на больших глубинах. В эксплуатационной колонне обычно устанавливают насос для подъема воды. В скважинах глубиной более 300 м и в случае вскрытия неблагоприятных интервалов (сильное поглощение промывочной жидкости и др.) может устанавливаться промежуточная техническая колонна. Цементацию проводят при высоких значениях скоростей подъема цементных растворов в затрубном пространстве (более 1,0— 1,5 м), иначе качество затрубной цементации будет неудовлетворительным. Во всех случаях обсадные колонны снабжают центрирующими фонарями (рис. 3). В конструкции скважины различают следующие элементы кондуктор (направление), эксплуатационную колонну и фильтр В устойчивых водовмещающих породах фильтр не устанавливают (рис. 4, а,б,в). В неустойчивых водовмещающих породах применяют фильтры различных типов и конструкций Чаще всего фильтр устанавливают впотай (рис. 4, г.д), так как в этом случае его можно при выходе из строя поднять и заменить новым. Фильтр может быть смонтирован на эксплуатационной колонне, а изоляцию вышележащих водоносных горизонтов осуществляют путем затрубной цементации через манжету (рис. 4, е). Если у такой скважины при эксплуатации снижается производительность, то заменить фильтр в случае выхода его из строя практически невозможно. Понятно, что рекомендации по применению одноколонных конструкций скважин на воду, несмотря на их простоту и дешевизну, могут относиться только к тем районам, где срок службы составляет не менее 10—15 лет, в противном случае это может привести к неоправданному увеличению объема бурения скважин и расходу обсадных труб. При установке высокопроизводительного насоса верхний интервал ствола бурят и обсаживают колонной соответствующего размера (рис б) В случае каптажа высоконапорных, самоизливающихся и термальных водоносных горизонтов их герметизацию осуществляют обязательно цементацией обсадных колонн до устья с применением цемента высокого качества. При больших глубинах бурения в ряде случаев затрубную цементацию до устья можно заменить подбашмачной, если исключены гидравлическая связь водоносных горизонтов, потери напоров и загрязнение подземных вод. При каптаже водоносных горизонтов, представленных неустойчивыми трещиноватыми и гравелистыми породами, их крепят фильтрами дырчатого и щелистого типа. В рыхлых неустойчивых породах используют сетчатые, проволочные, блочные и гравийные фильтры. Гравийно-обсыпные фильтры широко применяют в скважинах, пройденных вращательным способом с обратной промывкой (Гаврил-ко, 1974). Гравийно-обсыпные фильтры требуют установки дырчатого или щелевого каркаса, причем последний обычно является эксплуатационной колонной (рис. 5). Установку каркасов фильтров впотай проводят реже, так как это связано с определенными трудностями оборудования скважин, а замена таких каркасов практически все равно трудновыполнима. Гравий засыпают через устье (при небольшой глубине скважины) крупными порциями, чтобы не было расслоения обсыпки. При глубинах скважины более 80—100 м обсыпку ведут через питательные трубы диаметром от 70 до 100 мм. Гравий засыпают в скважину с таким расчетом, чтобы его уровень был выше кровли водоносного горизонта. Учитывая возможное снижение уровня гравия при эксплуатации скважин, гравийную обсыпку делают с некоторым запасом. Если все же уровень гравия понизится до кровли водоносного горизонта, то проводят повторную обсыпку. В тех случаях, когда водоносные пески представлены тонкозернистыми и мелкозернистыми разностями, используют двухслойные гравийные обсыпки. Для этого применяют дополнительную колонну обсадных труб. Двухслойные гравийные обсыпки наиболее распространены при ударно-канатном способе проходки скважин. В практике водоснабжения и гидрогеологических исследований двухслойные обсыпки из-за технологической сложности используют весьма редко. В рыхлых породах при устойчивой кровле с успехом применяют бесфильтровые скважины (Беляков и др., 1974). Если проводят каптаж двух водоносных горизонтов, часто гидравлически активно связанных между собой и представленных различными породами, то устанавливают два фильтра различной конструкции на одной колонне (рис. 6). Верхний фильтр сетчатого типа отделен от нижнего фильтра дырчатого типа цементной пробкой. Разглинизацию (освоение) фильтров ведут раздельно, причем вскрытие водонасыщенных известняков рекомендуется проводить с промывкой водой. Из-за технологической сложности такие конструкции скважин применяют довольно редко. Наблюдательные (пьезометрические) скважины на первый (верхний) водоносный горизонт оборудуют одной колонной труб с фильтром на конце (рис. 7). В верхней части делают цементный или глинистый замок на глубину до 0,5 м для предупреждения загрязнения водоносного горизонта, а колонну оборудуют охранным оголовком. Если наблюдательную скважину бурят на второй и более глубокие водоносные горизонты, то его необходимо изолировать от вышележащих водоносных горизонтов Это достигается спуском обсадной колонны до кровли водоупорных пород и установкой фильтра впотай. Тампонаж чаще всего проводят с помощью задавливания башмака в глинистые породы или путем установки глинистой пробки. Установку фильтра в наблюдательные скважины рекомендуется проводить без применения глинистой промывки, в противном случае необходима тщательная разглинизация. Конструкции фильтров наблюдательных скважин подбирают, так же как и в опытных скважинах, по литологическому составу водоносного слоя, но в связи с тем ,что фильтры наблюдательных скважин не рассчитывают на длительный отбор из них воды, можно использовать фильтры больших сопротивлений. После оборудования скважины проводят экспресс налив, по результатам которого строят график зависимости превышения уровня налива над статическим от скорости снижения уровня (Шестаков и др , 1974) .Этот график служит характеристикой инерционности пьезометра, так как позволяет при известной скорости изменения уровня в скважине судить о погрешности пьезометра. Если бурение ведут в рыхлых породах и надо опробовать все встреченные при бурении водоносные горизонты, то существующие способы опробования требуют обсадки скважины трубами, установки фильтра, его разглинизации и последующей откачки. Такая схема опробования требует смены диаметра бурения, из-за чего практически более 2—3 опробований в одной скважине провести нельзя. Известны случаи, когда для проведения таких исследований закладывают не одну, а две скважины: одна скважина опробует два верхних водоносных горизонта, другая — два нижних. В. И. Блажков предложил схему раздельного опробования водоносных горизонтов, которые каптируются одной колонной. Изоляция фильтров друг от друга достигается установкой цементных пробок (мостов) и специальной водоподъемной колонной с эластичным сальником (рис. 8). Опробование водоносных горизонтов проводят раздельно сверху вниз. После извлечения водоподъемных труб может быть 'проведено суммарное опробование всех водоносных горизонтов (Шестаков и др., 1974). При данной конструкции скважин затрубную цементацию не проводят. Несмотря на кажущуюся неправомерность такой схемы, она между тем вполне оправдана, так как малые кольцевые зазоры и наличие в стволе скважины глинистого раствора практически исключают движение воды по кольцевому зазору от одного фильтра к другому. Разглинизацию при этом способе опробования проводят комбинированным способом либо обратновсасывающей промывкой через окна в нижней части фильтра, что обеспечивает получение дебитов, близких к дебитам скважин ударного бурения. Указанная конструкция скважины имеет следующие преимущества: позволяет без потери диаметра опробовать 3—5 водоносных горизонтов в одном стволе скважины; высокие производительность и качество опробования; малую металлоемкость конструкции скважины и отсутствие необходимости затрубной цементации; бурение артезианских скважин на воду ведется одним диаметром. Описанная конструкция скважины прошла длительную производственную проверку в Краснодарском крае и в других областях страны, где бурение разведочных скважин ведется в рыхлых породах. В последние годы в практику гидрогеологических исследований для крепления скважин на воду успешно внедряются антикоррозионные трубы (Алтухов, Вакс-ман, 1974; Логинов, Шуссер, 1975). Наиболее перспективны полиэтиленовые трубы, которые можно спускать на глубину до 300 м. Наиболее рациональный тип соединения труб на сварке. Широкое распространение должны получить также каркасы из полиэтиленовых труб. Ударно­канатное бурение скважин на воду, артезианских  скважин, для сваи       Этот способ - первый и основной способ бурения скважин на воду - состоит из периодического разрушения пород дроблением с помощью соответствующих долот и последующей очистки забоя желонками. Отличительные особенности скважин, пробуренных этим способом, заключаются в сохранении высоких дебитов и больших сроков их службы (иногда 70-80 лет и более). В настоящее время в нашей стране ударно-канатный способ бурения артезианских скважин вытесняется роторным способом бурения. Однако за рубежом (в США, Великобритании, ФРГ) многие фирмы до сих пор отдают ему предпочтение. Преимущества ударно-канатного способа: возможность качественного вскрытия и опробования пласта; отсутствие необходимости в снабжении установок водой и глиной; возможность бурения в валунно-галечниковых отложениях, в породах, поглощающих промывочную жидкость, в многолетнемерзлых породах; возможность в короткие сроки после бурения обеспечивать качественное освоение скважин, так как при этом способе проходимые водоносные горизонты остаются чистыми; бурение скважин с большим (более 500 мм) начальным диаметром; возможность раздельного опробования водоносных горизонтов в процессе бурения. Технология ударно-канатного способа бурения зависит от геологических условий. В песках и песках-плывунах бурение скважин под воду, как правило, ведется с использованием желонки с плоским клапаном и одновременным креплением стенок скважин обсадными трубами. В водоносных и чистых песках (сухих) следует применять желонку, утяжеленную короткой ударной штангой. Число ударов должно быть минимальным. В процессе бурение артезианских скважин нельзя допускать, чтобы желонка опускалась ниже башмака обсадной трубы более чем на 0,5-0,75 м, так как песок может обвалиться и зажать желонку. В песках-плывунах скважина заполняется песком с водой, поднимающимся за желонкой. Надо следить, чтобы желонка не переполнялась и порода не перебрасывалась через нее вверх, так как попавшая в кольцевой зазор между обсадной трубой и желонкой порода может вызвать прихват. Поэтому плывуны надо проходить быстро, без остановок, по возможности укороченными рейсами. В галечниках и гравийных породах бурение ведут двутавровыми долотами с применением желонки с плоским клапаном и низким башмаком. В глинистых породах (в плотных и сухих глинах) бурят двутавровыми долотами. Глину разрыхляют долотом на глубину 0,5-0,75 м, а затем используют желонку. В сильнопесчанистых глинах скважину можно проходить буровым стаканом (утяжеленной желонкой без клапана). Пластичные вязкие глины можно успешно бурить специальным долотом, изготовленным из обычного двутаврового или плоского (зубильного) долота, на конец которого приварены дополнительные лопасти, в результате чего оно приобретает вид крестового. Для работы таким долотом в скважину доливают 3-5 л воды и бурят в течение нескольких минут. Образовавшийся в скважине тестообразный шлам извлекают на корпусе долота. Глинистые породы с валунами, особенно при большом скоплении последних, бурить сложно, так как при этом очень часто наблюдается искривление скважин. Для разрушения валунов, больших по размеру, чем диаметр обсадных труб, следует применять тяжелые округляющие долота. Твердые и крепкие монолитные породы (плотные сухие глины, глинистые сланцы, известняки, песчаники, граниты, кварциты и прочие крепкие и абразивные породы) проходят периодическим дроблением с последующей очисткой скважины желонкой с плоским клапаном. При бурении необходимо, чтобы скважина не сужалась и имела округлую форму. Причина сужения - быстрый износ долота. Трещиноватые и закарстованные породы бурят крестовыми и округляющими долотами с углом приострения 90~. Трещиноватые породы склонны к обрушению и вывалам, поэтому бурение артезианских скважин на воду в них следует производить осторожно при всегда натянутом канате, не допуская раскачивания инструмента и одновременно обсаживая скважину. Зону вечной мерзлоты, сложенную твердыми и крепкими устойчивыми породами (известняками, песчаниками, плотными глинистыми сланцами, гранитами и т.д.), бурят практически так же, как те же породы при обычных условиях. Бурение скважин в мерзлых, рыхлых породах (песчанистых глинах, песках, мягких глинистых сланцах, разрушенных песчаниках и известняках) значительно отличается от бурения в породах с положительной температурой. Сложность бурения обусловливает высокая чувствительность мерзлоты к нарушению ее теплового режима. Конструкция скважины при ударно-канатном способе бурения и ее элементы:    глубина; диаметр; длина и число колонн обсадных труб;        специальные устройства (сплошные затрубные цементные кольца, манжетные цементные кольца, зажимы, сальники и пр.); водоприемная часть (надфильтровая колонна, рабочая часть фильтра, отстойник, пробка, цементный стакан). Рациональную конструкцию скважины при ударно-канатном бурении можно создать только при выполнении следующих условий: средняя величина выхода каждой колонны обсадных труб должна быть не более 25-30 м; башмак каждой колонны труб должен внедряться в водоупорную породу на 1-2 м ниже водоупорной кровли (за исключением последней эксплуатационной колонны, которая должна входить в водоносную породу); диаметр долота следует менять через один; колонны обсадных труб должны быть забиты в глины возможно более плотно; обсадная колонна, опущенная "впотай" в предыдущую колонну, должна заходить в нее не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при большей глубине [2]. Обсадные трубы предназначаются для закрепления стенок скважины в неустойчивых породах и изоляции неиспользуемых водоносных горизонтов, а также перекрытия отдельных участков скважины для их опробования. При бурении скважин на воду ударно-канатным и роторным способом бурения обычно применяют стальные бесшовные трубы с короткой, нормальной или удлиненной резьбой и муфты к ним. Для того чтобы колонна труб следующего диаметра свободно проходила в колонну труб предыдущего диаметра при ударно- канатном бурении, следует применять обсадные трубы с толщиной стенок, указанной в табл. 35. Таблица 35 Условный диаметр труб предыдущей колонны, мм Толщина стенки труб, мм Наружный диаметр последующей колонны, мм наружный внутренний муфта труба 426 377 325 273 219 406 357 307 255 10 10 9 9 205-203 7-8 351 299 299 245 188 324 273 273 219 168 При бурении в рыхлых неустойчивых породах, а также при проходке песков-плывунов, когда обсадные трубы опережают буровой снаряд, целесообразно использовать обсадные трубы с безмуфтовым соединением, т.е. с соединением "труба в трубу", при котором на одном конце трубы нарезается внутренняя резьба, а на другом - наружная. Обсаживать скважину трубами такой конструкции, а также извлекать их при ликвидации скважины значительно легче, чем при применении труб, соединенных муфтами. Для безмуфтового соединения можно использовать стальные бесшовные горячекатаные трубы по ГОСТ 8732-78. Для обсаживания скважин на воду глубиной до 100 м применяют асбоцементные трубы диаметром 135-324 мм с муфтовым резьбовым и безрезьбовым соединениями. Буровой инструмент Рабочий инструмент для разрушения породы (долото) и извлечения ее на поверхность (желонка), а также инструмент, который вместе с рабочим наконечником собирается в так называемый буровой снаряд (ударная штанга, ножницы, канат, канатный замок). Инструмент для сборки снаряда - инструментальные ключи, затяжные трещотки. Инструмент для работы с трубами - хомуты для труб, забивные головки, башмаки, забивной снаряд. Ловильный инструмент. Канаты (тросы) изготовляют из стальных проволок, свитых в пряди. Наиболее широко применяются шестипрядные канаты с сердечником из пеньки, пропитанной битуминозными веществами. Свивка канатов имеет несколько видов: правая крестовая, левая крестовая, правая односторонняя, левая односторонняя и комбинированная     односторонняя. При выборе каната следует исходить из его разрывного усилия, указанного в заводском паспорте, и коэффициента безопасности, принимаемого в среднем 3,5. Ударно-канатное бурение осуществляется установками УКС-22М2, УКС-30М2 и установками комбинированного бурения, в которых сочетается роторное бурение с обратной промывкой и ударно-канатное установками УКС-22М-ОП и УКС-30М-ОП. В США широко применяются комбинированные буровые установки, позволяющие сочетать ударно-канатное и вращательное бурение, в том числе и бурение с обратной промывкой. Водоносный горизонт плывунного типа, залегающий на глубине до 100 м, вскрывают: с опережением забоя вспомогательной колонной обсадных труб и последующим "оголением" фильтра - при глубине скважины менее 100 м; под защитой тиксотропной рубашки - при глубине скважины более 100 м; фильтровой колонной с конусным башмаком - при глубине менее 100 м; открытым забоем без крепления рубашки - при глубине скважины менее 150 м. Недостатки ударно-канатного способа бурения заключаются в большом расходе обсадных труб, более низких (по сравнению с вращательным) скоростях бурения и ограниченной глубине скважин (до 150-200 м). Роторное бурение   Роторное бурение (беспрерывное вращательное бурение) состоит в разрушении (крошением, резанием) пород в забое скважины соответствующими долотами и выносе их глинистым раствором, водой или сжатым воздухом при одновременном охлаждении бурового инструмента. Роторное бурение следует использовать при выполнении следующих условий: хорошо изученный геолого-гидрогеологический разрез участка бурения; заранее разведанные и опробованные водоносные горизонты московской области, для которых имеется подробная характеристика качества и количества воды; горизонты воды характеризуются большими напорами;                 возможность проведения каротажа скважины; возможность бесперебойной доставки воды и глины к месту бурения. В настоящее время в нашей стране широкое применение получили следующие виды роторного бурения: с прямой промывкой глинистым раствором и водой (комбинированный), с обратной промывкой водой, с продувкой сжатым воздухом, шнековый. Роторное бурение с прямой промывкой глинистым раствором. Этот способ имеет некоторые преимущества и может быть рекомендован для бурения различных пород и заканчивания скважины, исключающего кольматацию пласта, а также при применении испытателей пластов, опережающего способа опробования на стадии поисково-разведочных работ. Роторный способ бурения может быть осуществлен следующими буровыми установками: СБДУМ-150-ЗИВ, УРБ-2, УРБ-2,5А; УРБ-3АМ, 1БА- 15В, УБВ-600; БУ80БРД, УРБ-3А3, УРБ-3А2. Преимущества: высокие механические и коммерческие скорости бурения; возможность бурения пород различной твердости на различной глубине; небольшая металлоемкость конструкции. Недостатки: при использовании глинистого раствора возникает трудность качественного опробования водоносных пластов и их освоения, что приводит к снижению дебита скважины, требует проведения длительных и сложных работ по ее разглинизации; необходимость снабжения установок водой и качественной глиной; трудности бурения в породах, содержащих валунно-галечниковые включения, поглощающие промывочную жидкость; трудности организации работ бурение в зимнее время при отрицательных температурах. Роторное бурение с обратной промывкой водой. При этом способе бурения скважину промывают водой, которая поступает на забой между стенками скважины и бурильных труб. Разрушенная порода и вода (шлам) поднимаются с забоя по трубам бурильной колонны и через резиновый рукав поступают в отстойник, где вода очищается от шлама и снова, самотеком, направляется в затрубное пространство скважины. Вода, омывая, охлаждает долото, а затем, смешиваясь с разрушенной породой, всасывается при помощи эрлифта или центробежного насоса в отстойник. При этом уровень воды в скважине должен быть постоянно на 3-4 метра выше статического уровня водоносного горизонта. Если от устья скважины до глубины статического уровня залегают неустойчивые породы (пески, супеси), то этот интервал закрепляют трубами. Преимущества: высокие механические скорости бурения в мягких и рыхлых породах, превышающие аналогичные показатели при бурении с прямой промывкой в 1,5-2 раза; высокое качество вскрытия пласта, обеспечивающее высокие дебиты; возможность бурения скважины больших диаметров (до 1200- 1500 мм). Недостатки: возможность бурения артезианских скважин только в мягких и рыхлых породах I-IV категорий по буримости; возможность бурения, если уровень подземных вод находится на глубине 3 м и более. Роторный способ с обратной промывкой водой осуществляется буровыми установками: 1БА115К, FA12, FA20, FA10, PA15. Этот способ может быть рекомендован для бурения мягких и рыхлых пород, залегающих на глубине до 200-300 м, при необходимости создания мощного контура гравийной обсыпки и сооружения высокодебитной скважины.      Инструмент для вращательного (роторного и колонкового) бурения Породоразрушающий инструмент для вращательного бурения подразделяют на три основные группы:    долота для роторного (беспрерывного) бурения; долота и коронки для колонкового бурения; долота-расширители. Долота для роторного бурения: лопастные, фрезерные, шарошечные, алмазные. Лопастные долота: режущие двух- и трехлопастные (табл. 1), истирающе-режущие и ступенчатые (ИР, ИРГ); ступенчато-лопастные (ДСГ3ЛИР, ДСГ3ЛР); пикообразные, шнековые забурники. Таблица 1 Долото Диаметр, мм Масса, кг Долото Диаметр, мм Масса, кг 2Л-76 76 2Л-93 93 2Л-112 112 2Л-132 132 2Л-161 161 2 2,5 3,0 5,5 7,5 3Л-118 118 3Л-132 132 3Л-140 140 3Л-161 161 3ЛГ-190 190 7,0 8,5 9,5 11,0 20,0 Шарошечные долота: одношарошечные; двухшарошечные; трехшарошечные (табл. 2). Таблица 37 Параметры одно-, двух- и трехшарошечных долот Долото Тип Диаметр, мм Масса, кг Одношарошечные 7В-140-С 75К-214-С-1 С С 140 214 Двухшарошечные В151МГ М 151 Трехшарошечные В-97С В-97Т В-112С В-112Т 2В-118С С Т С Т С 97 97 112 112 118 Ш-112ОК ОК 112 9,2 47,0 8,7 3,7 3,7 5,0 5,7 5,7 6,5 Шарошечные долота изготовляют нескольких типов, каждый из которых предназначен для бурения определенных пород:   М - легких и вязких пород: мягких глин, мела, песка, соли; МС - мягких пород с пропластками пород средней твердости;     С - пород средней твердости: плотных глин, песчаников, известняков средней крепости, глинистых сланцев; СТ - пород средней твердости с пропластками твердых и абразивных песчаников; Т - твердых и крепких пород: доломитов, плотных известняков, крепких сланцев, абразивных песчаников; К - крепких и очень крепких пород с абразивными свойствами: кремнистых известняков, кристаллических сланцев, кремнистых песчаников. В индекс шарошечных долот, кроме буквы, обозначающей тип долота (М, МС и т.д.), входит также буква, указывающая завод-изготовитель, например: Б - Бакинский машиностроительный, В - Верхне-Сергинский машиностроительный, К - Куйбышевский долотный, С - Сарапульский машиностроительный, ОМ или М - Пермский машиностроительный, У - Дрогобычский машиностроительный завод, Л - Ленинградская ремонтно-механическая база. Алмазные долота: с армировкой торца объемными алмазами (однослойные); с армированием матрицы мелкими алмазами. Долота и коронки для колонкового бурения: шарошечные колонкового типа, твердосплавные, алмазные, дробовые. Для бурения скважины с отбором керна применяют колонковые долота (табл. 3) со съемной и несъемной колонковыми трубами. Таблица 3 Техническая характеристика колонковых долот Долото Диаметр бурильной головки, мм Длина долота без бурильной головки, мм 1ВК-ДК 118СТ 118 3В-ДК 145СТ 145 1В-ДК 190СТ 190 1В-ДК 214СТ 214 1В-ДК 243СТ 243 5200 5200 6300 6300 6400 1В-ДК 295СТ 295 1В-ДК 346СТ 346 6400 6400 При бурении артезианских скважин на воду роторным способом в крепких и очень крепких абразивных породах используют шарошечные долота, оснащенные твердосплавными зубками со сферической или породоразрушающей поверхностью (2В-93К, В-970К, 3В-132К, 2К-14ТК). Для расширения ствола скважины или его участка в интервале водоносного горизонта применяют долота-расширители (табл. 4). Таблица 4 Параметры долот-расширителей Долото- расширитель Тип направляющий Диаметр расширителя, мм Длина корпуса расширителя, мм РТС-295 Д3ПС-8 РТС-346 Д3ПС-10 РТС-394 Д3ПС-10 РТС-445 Д3ПС-10 295 346 394 445 595 595 595 595 Инструмент для спуска и подъема бурильных и обсадных труб: 1) элеватор (табл. 5) - для захвата и удержания бурильных и обсадных труб; Таблица 5 Параметры элеваторов облегченных сварных Элеватор Максимальная грузоподъемность, т Масса, кг ЭБ-73 20 ЭБ-89 20 24 25 ЭБ-114 25 ЭО-168 22 ЭО-219 25 ЭО-273 28 ЭО-325 30 38 42,7 44,3 57,0 67,0 2) штропы - для соединения элеватора с талевым блоком; 3) ключи ручные типа РИК, двухшарнирные типа БУ-73-89, геологоразведочные, подвесные универсальные машинные типа УМК-1, машинные типа ОМН и цепные типа КЦМ; 4) переходники типа П, муфтовые М, ниппельные Н; 5) насосы типа "Гном" (табл. 41) для откачки пульпы (шлам с водой). Таблица 41 Техническая характеристика насосов типа "Гном" Насос Максималь - Максималь - Мощность Габаритные размеры, мм Масса, кг ная подача, м/ч ный напор, м электродвигател я, кВт высот а диамет р "Гном" 10-10 10 "Гном" 25-20 25 "Гном" 40-18 40 10 20 18 1,1 4 5,5 450 210 22 600 260 58 760 258 86