Роторное бурение скважин: основные способы и методы, механические

Технологическая схема роторного бурение скважин

Роторное бурение скважин необходимо для организации автономного устройства системы водоснабжения участка. Такое бурение представляет собой разновидность технологии с вращением механизма.

Роторное вращение подразумевает движение внутри скважины. В некоторых ситуациях дополнительно к ротору используются насадные элементы. Но в целом принцип работы роторного двигателя довольно простой.

Электродвигатель вращает ротор через вал горизонтального направления, а ротор вращает рабочую часть, которая осуществляет бурение.

Двигатель не является обязательным элементом роторной установки, существует возможность бурения посредством газотурбинного аппарата.

Бурение роторным способом нуждается в промывке скважины впоследствии, также требуется продувка. Для начала необходимо добиться стабильности скважины, то есть работы без обрушения грунта, и только потом производится промывка.

Бурение роторным способом производится любым доступным способом: либо сжатым воздухом, либо напором воды. Воздух подают под высоким давлением с помощью компрессора.

Преимуществом роторного бурения является высокая скорость получения желаемого результата. Это одно из качеств, которое пользуется наибольшим спросом. В сравнении с ударной технологией преимуществ еще больше. Если сравнивать скорость, то ударная технология проигрывает в несколько раз.

К тому же роторная технология бурения дает больше возможностей для применения, а ударная имеет множество ограничений. Удобно использовать роторные установки и из-за небольших габаритов, они имеют небольшой вес, их можно легко перевозить, причем без заказа спецмашин для этих целей. Установка может быть размещена даже на небольшом участке открытого пространства.

Технология роторного бурения

Такое бурение может быть отнесено к общему вращательному методу, когда буровой инструмент совершает вращательное движение вдоль оси подачи. Привод устанавливается на шасси, что располагается на поверхности земли. Передача крутящего момента буровому долоту происходит посредством буровых штанг. Двигатель может быть различного исполнения: на основе бензина, электричества, работать от генератора или газотурбины. Если бурение скважины осуществляется с промывкой, то в процессе работы смесь воды и глины, а также породы выносится на поверхность.

Когда бур вращается, происходит углубление скважины и укрепление ее стенок, за счет наполнения их глиняным раствором. Когда скважина пробурена, происходит прокачивание до чистой воды. Возможно осуществление бурения с продувкой, когда скважина наполняется воздухом под давлением. Этот способ используется при работе на безводных грунтах. При этом скважина обсаживается трубами, для укрепления ее стенок и исключения попадания в воду загрязнений с поверхности или вышележащих водоносов. Когда работа идет на сыпучих и неустойчивых грунтах верхняя часть скважины подлежит защите от обрушения с помощью установки дополнительной трубы-кондуктора.

Расчет стоимости

Итак, человек решил произвести бурение у себя на дачном участке с помощью именно роторного метода. Делается это достаточно легко. Однако всегда стоит помнить об издержках, которые будут сопровождать данную работу. В действительности этот метод бурения не является самым дешевым.

При расчетах в обязательном порядке нужно учитывать следующие составляющие и затраты на них:

При расчете расходов для бурения скважины, необходимо учесть расходы на фильтры.

Стоимость полипропиленовых труб, которые делаются либо из металла, либо из пластика;
Обустройство рабочей площадки как необходимая мера проведения работ, связанных с бурением скважин под воду.
Транспортировка буровой установки к объекту проведения работ. Здесь стоимость может быть самой разнообразной. Все напрямую зависит от габаритных размеров роторной системы. Зачастую для транспортировки бывает достаточно полугрузового автомобиля.
Непосредственно бурение, которое никогда не отличалось низкой стоимостью;
Стоимость фильтров. Стоит учитывать тот факт, что при бурении скважин обязательно нужно использовать фильтры глубокой очистки воды, чтобы на выходе получалась чистая вода. Для этого используются самые разнообразные фильтры. Они могут удерживать только механические частицы, которые содержатся в воде, а также устранять другие химикаты. В зависимости от этого в разных скважинах используется определенное количество фильтров той или иной очистки.

Роторная буровая установка

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

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

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

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

Промывочная жидкость в буровых роторных работах

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

В качестве буровых растворов применяются следующие жидкости:

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

Схема роторного бурение скважины с прямой промывкой.

Особенности технологии роторного бурения скважин

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

Процесс бурения выполняется ступенчато:

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

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

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

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

Смена породоразрушающего инструмента

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

Канатно-вращательное бурение

Когда для бурения скважины используется подобный метод, то он подразумевает использование полой штанги, с одного конца которой находится забурник. Земля, которая размягчена таким оборудованием, достаётся наверх благодаря промывке с использованием бурового раствора.

Этот раствор далее поступает в отстойник шлама. Так бурение скважины проводится с использованием обратной воды.

Подобный способ бурения осуществим благодаря использованию переносных бурильных установок. Чаще всего это вологодские, курганские, минские установки. Такой метод подходит для бурения скважин в сложных и труднодоступных местах. Он также подходит для бурения скважины на песок, глубина которой до пятидесяти метров. Бурение скважины осуществляется с использованием не просто воды, а особого бурового раствора, который содержит в себе бентиновую глину. Бентин при строительстве скважины позволяет укрепить стены скважины, а также не даёт им обрушиться. После этого, рабочее буровое оборудование достаётся из скважины и в отверстие помещаются пластиковые трубки и фильтры на дно. Вместе с тем, диаметр трубы должен составлять до 125 миллиметров, а диаметр скважины – до двухсот миллиметров. Оставшееся место между трубой и скважиной засыпается щебнем, фракции которого в среднем составляют от пяти до двадцати миллиметров. Усыпка гравием значительно улучшает работу скважины, её характеристику и эксплуатационные качества, срок использования.

Так можно создавать глубокие и большие скважины, глубиной до трёхсот метров. Однако если глубина скважин составляет более трёхсот метров, то она будет иметь телескопическую конструкцию.

Историческая справка

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

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

Бурение шнековым способом

Этот способ подходит для мягких, песчаных почв и непригоден для монолитных скалистых пород. Шнековое бурение применяют как в промышленных масштабах, так и для частных хозяйств.

Буровое оборудование в данном случае представляет собой передвижное устройство с ручным или механизированным буром, закрепленным на регулируемую штангу.

Сам бур представляет собой трубу обвитую стальной лентой – шнек и заострённые наконечник. Отсюда и пошло название метода бурения – шнековый.

Особенностью этого вида является то, что порода поднимается на поверхность по ленте шнека, без использования специальной промывочной жидкости. Поэтому работать можно при низких температурах.

Разработка шнеком ведется в горизонтальном и вертикальном направлениях. Вертикальные скважины используют под сваи и для добычи воды. Обычно глубина разработки на воду составляет от 50 до 80 м.

Рабочий процесс выглядит следующим образом: первый проход делают на глубину одной штанги, затем выключают установку, поднимают и наращивают штангу, после продолжают бурение.

Несмотря на то, что охлаждение бура во время работы происходит от почвы, более эффективными считаются шнеки с полой центральной трубой. По ней посредством гидравлического насоса подают воду или воздух, тем самым уменьшая силу трения о грунт и ускоряя разработку.

Во время работы измельченный грунт поднимается по ленте шнека на поверхность. Но часть его все равно осыпается на дно забоя. Поэтому по завершении бурения требуется прочистка и промывка ствола перед установкой обсадных труб.

Кроме того, шнековое бурение иногда применяется для организации абиссинского колодца в частных домах. Здесь установка отличается небольшой мощностью и малым диаметром шнека, поскольку максимальная глубина такого колодца до 15 м, а диаметр трубы до 4 см.

Роторный способ бурения нефтяных скважин

Роторное бурение наиболее распространенный метод, так как достаточно эффективен и прост в применении. Чаще всего он используется для бурения разведочных и эксплуатационных нефтяных скважин, однако, за счет компактности, применяется и для создания скважин с водой на частных участках

Технология роторного бурения впервые была применена в США в начале 1880-х годов, и с тех пор претерпевала незначительные изменения, положительно сказавшихся на её эффективности. В частности, совершенствовались породоразрушающие инструменты, изобретались новые промывочные жидкости, повышалась прочность отдельных элементов. Кроме того, совершенствовалась и сама технология бурения, за счет чего данный метод и является сейчас одним из основных способов создания забоя и почти полностью заменил стандартный ударный метод. Обо всем, что нужно знать о роторном способе бурения – далее в статье.

Виды и способы бурения

Определение 1

Бурение скважин – это процесс, конечной целью которого является сооружение горной выработки в виде полого цилиндра в толще земли, исключающего возможность доступа работника в забой (из-за малого диаметра такой трубы).

Всего различаются три вида бурения, в зависимости от направления бурения:

наклонно-направленное;
горизонтальное;
вертикальное.

Обычно бурение осуществляется в земной коре или искусственных материалах (асфальт, бетон). Область применения бурения достаточно широка и не ограничивается только добычей нефти или газа, оно также применяется: при анализе и изучении свойств горных пород, добыча твердых полезных ископаемых, в производстве взрывных работ (закладка снаряда), при искусственном закреплении горных работ, прокладка коммуникаций, разведка новых месторождений полезных ископаемых.

Существует больше десятка способов бурения скважин, однако, при добыче нефти и газа применяется только два, так как остальные находятся на экспериментальной стадии.

Пример ударно-канатного бурения приведен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Ударно-канатное бурение. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Принцип работы заключается в механическом воздействии бурового снаряда на породу (удар), в результате которого она разрушается и удаляется из скважины с помощью желонки.

Вторым основным способом бурения нефтяных и газовых скважин является вращательное.

Всего существует две разновидности вращательного бурения. При роторном бурении мощность двигателя передается ротору через лебедку, на котором находится долото, осуществляющее процесс бурения. При бурении с забойным двигателем, долото, находящиеся на валу, оказывает на породу механическое воздействие путем вращения. Порода из скважины извлекается при помощи работы насосов и бурового раствора.

Важным элементом буровой установки является породоразрушающий инструмент. По принципу разрушения такие инструменты делятся на три типа: инструменты режуще-скалывающего действия (для разрушения вязких и небольшой твердости пород), истирающе-режущего действия (для разрушения пород средней твердости, а также пластов, где породы средней твердости пересекаются с маловязкими породами) и дробяще-скалывающего действия (для разрушения крепких и очень крепких пород).

Основные способы бурения скважин под воду

Бурение скважины своими руками вполне реально и доступно, если есть необходимые гидрогеологические сведения. Выбрав способ, как бурить скважину на воду, следует правильно определить место для ее установки. Рядом не должно быть канализации, сливных ям, других коммуникаций, которые могут загрязнять воду. Нужно также учитывать расстояние от жилья, куда планируется подавать воду.

Видов бурения вручную, с использованием различных механизмов, приспособлений, сложной техники достаточно много: от простейшего забивания до гидробурения.

Ударное бурение – самый недорогой и простой способ обеспечить участок питьевой водой

Способы сверления скважин на воду различаются в зависимости от того, по какой технологии разрушается порода. Существует бурение:

ударное;
вращательное;
смешанного типа.

Шнековое бурение

Данный метод используется для устройства песчаных скважин. Обычно шнековое бурение скважин воды производится в относительно мягком, рыхлом или мерзлом грунте. Шнек – это труба, обвитая металлической лентой. Посредством вращения винтообразное устройство углубляется, выдавая на поверхность выбранный грунт. Часто при данной технологии за шнеком-винтом опускается обсадная труба, которая закупоривает стены и не дает земле осыпаться. Данный способ имеет ряд достоинств:

хорошая скорость;
нет необходимости промывки;
уплотняются стенки скважины.

Если шнековое бурение ведется на участке с мягким или рыхлым грунтом, то лопасти долота следует располагать под углом от 30 до 60 градусов относительно забоя. Если же бурение скважин таким методом производится на более плотных отложениях, в основе которых гравий и галька, то лопасти должны находиться под углом в 90 градусов относительно забоя. Определять угол при ведении работ необходимо в зависимости от твердости почвы, с которой предполагается работать.

Из всех способов самостоятельного бурения наименее результативным можно считать шнековый

Глубина шнекового бурения скважины проводится на размер одной штанги, которая затем поднимается наверх и наращивается дополнительной штангой. После этого бурение может быть продолжено. Диаметр шнековой скважины составляет от 6 до 80 см.

Роторный способ бурения

Роторное бурение относится к вращательным способам: ротор, расположенный на поверхности, приводит в движение долото, опущенное в скважину. Долото дополнительно утяжеляют («нагружают») трубами, чтобы увеличить степень измельчения грунта.

Используя данную технологию, можно разрушить практически любую по твердости породу. Это дорогостоящий способ, применяется для артезианских скважин.

При роторном бурении обязательно осуществляется промывка. С помощью этого процесса быстро удаляется отработанная порода, при этом скважина остается чистой, что позволяет беспрепятственно вставлять обсадку.

Промывка бывает двух видов: прямая и обратная. Прямая промывка производится глинистым раствором, который быстро убирает отработанные породы и укрепляет стенки, так как глина исключает кольматацию пласта. Обратная промывка водой применяется для очищения от шлака затрубного пространства.

Роторный способ бурения скважин является одной из разновидностей вращательной технологии

Преимущества роторного бурения:

мощность применяемого оборудования, позволяющая разбивать породы любой твердости;
долговечность пробуренной скважины (прочность стенок);
возможность выполнять бурение на ограниченной территории вследствие небольших размеров буровой установки.

Недостатками данной технологии можно считать сложность работы при минусовой температуре и невысокую скорость бурения.

Способы бурения

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

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

В общем случае механическое бурение проводится одним из трех способов:

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

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

Способы бурения

Процесс проделывания скважин, как и любая другая технология, имеет несколько видов:

ударно-канатное;
роторное;
бурение с забойным двигателем;
турбинное;
с винтовым двигателем;
электробуром.

Схема установки для ударно-канатного бурения скважин.

Ударно-канатный способ бурения скважин считается самым опробованным. При нем шахта скважины образуется за счет периодических ударов долота по забою. Этот процесс происходит под действием веса самого долота и тяжелой штанги. Поднятие долота вместе со штангой, которые закреплены на канате, происходит за счет балансира бурового механизма.

При роторном методе вращение инструменту передается посредством ротора. При этом виде бурения скважин ротор устанавливается на устье сквозь колону бурильных труб, которые играют роль полного вала. При бурении маленьких скважин (с небольшим диаметром ствола) процесс происходит за счет шпиндельных двигателей.

Привод ротора осуществляется от карданного вала, соединенного с лебедкой. Либо это может быть цепная передача от одного двигателя. Преимущество привода в том, что он может регулировать скорость вращения более с широким диапазоном, понижает нагрузку на лебедку и уменьшает ее изнашиваемость.

Ротор для бурения выбирается по степени нагрузки, мощности, а также по диаметру шахты. Роторное бурение имеет 2 канала передачи энергии для забоя:

механический от привода;
гидравлический от насосов.

Установка для бурения скважин роторным и турбинным способами и при помощи электробура.

При бурении турбинным способом, в процессе работы бурильная колонна не вращается, а перенимает вращающийся момент от забойного двигателя. При этом методе передается и гидравлическая энергия.

Турбинный способ — передача вращения долоту от вала турбины, которая приводится во вращение за счет движения потока раствора. Получается, что при турбинном способе в процессе задействован только 1 канал передачи энергии до забоя.

Турбобур, стоящий над инструментом, является машиной, которая приводит процесс преобразования гидравлической энергии давления потока используемой жидкости в механическую, направленную на вращение инструмента.

Процесс бурения представляет собой опускание, подъем бурильной колоны в скважину и поддержание ее на весу. Бурильная колона — это опущенная в шахту сборка из труб, скрепленных между собой бурильными замками. Ее задача — подача гидравлической и механической энергии к долоту.

Перфоративное бурение

Такой способ бурения используют для строительства абиссинского колодца.

Для этого используется труба из железа, которая собрана из отрезков разной длины, которые между собой скреплены с помощью муфт. По своей форме они похожи на своеобразное копье и поэтому её ещё называют скважин иглой. Герметичность соединений резьбы чрезвычайно важна и добиваются её использованием силикона, или же сантехнического льна.

Прежде всего, бурение проводят до начала обводненного слоя земли. Скважина должна быть в диаметре от пятидесяти до восьмидесяти миллиметров в сухой земле. После этого скважину ставят в фильтр, а обсадные колонны забиваются.

Внизу такой трубы располагается фильтр, представляющий из себя простую трубу с таким же диаметром. В ней имеется много отверстий в среднем диаметров от пяти до восьми миллиметров. Снаружи она защищена фильтровой сеткой, способной пропускать влагу и задерживать взвеси и песок. Сквозь подобную сетку с галунным плетением проходят частички только самого маленького диаметра и размеров.

Для установки такой трубы в грунт на глубину от восьми до двенадцати метро применяют всевозможное оборудование, от штанг до бабки.