Буровые или трубчатые колодцы. Скважины

Буровыми колодцы называют потому, что они выполняются методом бурения скважины с последующей установкой в пробуренной скважине стальных труб для откачки из водоносного горизонта воды. В нижней части трубы, находящейся в водоносном слое, должен быть установлен фильтр, необходимый для фильтрации поступающей из водоносного слоя в трубу воды.

Бурение скважины выполняют с помощью бура или специального бурового инструмента. Буровой инструмент имеет разные названия, диаметр и массу. Применяют его для бурения различных пород путем вращения или долбления, т. е. нанесения по породе сильных ударов инструментом, насаженным на штангу (рис. 33).

Все виды бурового инструмента имеют коническую резьбу, с помощью которой инструмент ввертывается на штангу. Буровой инструмент изготавливается из высококачественных сортов стали и подвергается термической обработке.

Буровые ложки (рис. 33 а) применяют для бурения скважин преимущественно в устойчивых легких породах: чистых, влажных песках, глинистых песках, песках с мелким гравием, суглинках и песчанистых глинах.

Ложки изготавливают из листовой стали или стальных труб с обязательной термообработкой. Корпуса ложек изготавливают диаметром 70, 102, 140, 198 мм и длиной 700–750 мм. Эти ложки предназначены для обсадных труб с внутренним диаметром 78, 115, 155 и 205 мм. В основном используют ложки с лезвием и змеевиком. При работе ложки с лезвием и двумя-заостренными резцами требуется нажим определенной силы, чтобы она врезалась в породу и срезала ее. Ложка со змеевиком на конце (рис. 33 б) облегчает бурение, так как нажимать на нее во время работы почти не требуется, поскольку змеевик ввертывается в грунт и тянет за собой ложку.

Змеевик (спиральный бур) (рис. 33 в) применяют для бурения скважин в глинах и суглинках с содержанием некоторого количества гравия. Он состоит из головки с конусообразной резьбой и нескольких спиральных витков, оканчивающихся в нижней части лезвием. Шаг спирали принимают, как правило, равным диаметру змеевика. Изготавливают из полосовой стали нужной марки и вязкости. Закаливают змеевик на высоту спирали. Перекаленный металл непригоден, так как при бурении он может сломаться и удалить его из скважины практически невозможно.

Змеевик должен быть цельнокованым, сварные змеевики не допускаются, так как по месту сварки может произойти излом. Змеевики бывают диаметром 70, 104, 140 мм, длиной соответственно 650, 700, 820 мм.

Рис. 33. Инструменты для бурения:

а – буровая ложка; б – буровая ложка со змеевиком на конце; в – змеевик; г – долота; д – пирамидальное долото; е – желонка

Долота (рис. 33 г, д) применяют для ударного бурения. Они подразделяются на зубильные, пирамидальные, плоские, крестовые и др. Долота состоят из лопасти, шейки, конусной резьбы. Нижняя кромка является режущей поверхностью. Выковывают долота из цельного куска стали с последующим закаливанием. Во время работы для округления ствола скважины долото после каждого удара поворачивают на угол 15–20°. Зубильное долото имеет нижнее основание размером 45, 60, 75, 85 мм, длину лезвия 258, 260, 290 мм.

Желонки (рис. 33 е) бывают простые и поршневые. Желонки служат для извлечения из скважины пробуренной ударным способом породы, а также для бурения сыпучих и рыхлых пород. Корпус желонки изготовляют из трубы длиной 2–3 м. Вверху имеется резьба для крепления к штанге или серьга для крепления к канату, внизу – стальной башмак с клапаном. Нижнюю часть башмака делают острой, диаметром на 4–8 мм больше наружного диаметра корпуса желонки.

Желонки бывают с наружным диаметром корпуса 89, 95, 127, 168, 219 мм и соответственно массой 25, 30, 47, 64, 96 кг. Они предназначены для работы в обсадных трубах с внутренним диаметром 104, 115, 155, 205, 225 мм.

Простая желонка имеет клапан в виде стального диска или шарика. Диск крепится шарнирно с одной стороны к своему седлу с отверстием, на которое он опускается. Если клапаном служит шарик, то он перекрывается ограничителем, не позволяющим уйти ему вместе с породой. При ударе о породу желонка внедряется в породу, она при этом поднимает клапан, при обратном движении тяжесть и давление породы закрывает клапан: желонка заполняется породой. Поднятая наверх желонка с породой освобождается от нее путем опрокидывания желонки.

Поршневая желонка в изготовлении сложнее, но она дает замечательные результаты при работе в разжиженных водой породах. При этом поршень устанавливается внутри желонки и управляется с помощью штанги.

Указанная выше длина бурового инструмента необходима потому, что в процессе работы бурение чередуется с извлечением инструмента из скважины, очисткой его от породы, обратной вставкой его в скважину, после чего цикл работы повторяется.

Выемка инструмента отнимает очень много времени. При коротком инструменте производительность труда сильно падает. Но сверхдлинный инструмент также малопригоден, поскольку заполненный породой окажется очень тяжелым и потребует больших усилий для выемки его из скважины.

В процессе бурения рыхлые грунты обваливаются и засоряют скважину. Чтобы избежать этого, в пробуриваемую скважину вставляют обсадную трубу. Диаметр обсадной трубы должен быть таким, чтобы в нее свободно входил буровой инструмент. По мере бурения скважины обсадная труба опускается. При поворачивании обсадной трубы ее нагружают балластом, с тем чтобы осадить обсадную трубу в грунт. Обсадные трубы по мере бурения удлиняют путем наращивания с помощью резьбовых соединений. Поэтому, чтобы избежать развинчивания обсадных труб в скважине, вращать обсадные трубы как при их спуске в скважину, так и при подъеме, нужно только в одну сторону (в сторону завинчивания).

Буровая скважина должна быть строго вертикальной. В силу этого и бур должен находиться строго в вертикальном положении.

Для этого необходимо выполнить следующее:

1. Перед бурением кладут и прочно крепят к земле толстую доску с отверстием, соответствующим диаметру обсадной трубы. Доску крепят к земле с помощью длинных прочных кольев.

2. Над доской устанавливают треногу из толстых жердей или бревен с прикрепленным к ее вершине блоком (рис. 34).

3. Бур устанавливают в отверстие в доске, выравнивают по отвесу и делают забур в грунт на длину применяемого инструмента. Затем бур вынимают из скважины, очищают от вынутого грунта. В образовавшуюся скважину вставляют обсадную трубу и ввинчивают ее в грунт путем вращения под балластом. Затем внутрь обсадной трубы вставляют бур, который подвешивают на канате, перекинутом через блок треноги.

4. Бур вращают с помощью рычага или ключа и тем самым углубляются в грунт на длину применяемого бурового инструмента.

5. Бурение продолжают до тех пор, пока бур не дойдет до водоносного слоя. По мере углубления бура в грунт обсадную трубу и стержень бура наращивают новыми звеньями с помощью муфт с резьбой. Плотные и каменистые грунты разрабатываются ударным способом с помощью зубильных долот.

Рис. 34. Оборудование для бурения скважин: а – оборудование для бурения скважины; б – поворотный хомут: 1 – водоносный слой; 2 – змеевик; 3 – буровая колонка; 4 – ворот; 5 – тренога; 6 – стяжная шпилька; 7 – блок; 8 – вертлюг; 9 – вороток; 10 – оголовок; 11 – деревянный щит; 12 – башмак зубчатый; 13 – хомут деревянный; 14 – муфта ударная; 15 – стяжная шпилька; 16 – обсадная труба

Для нормальной работы скважины следует правильно установить в ней фильтр. Фильтры обязательно должны быть в буровых колодцах и служат для фильтрации воды, поступающей к насосу. В такой воде нет мельчайших песчинок и мути. Это в первую очередь повышает качество воды, во вторую очередь удлиняет срок службы насосов, перекачивающих воду из скважины.

Наибольшее распространение получили следующие конструкции фильтров:

• дырчатый фильтр без сетки — это стальная перфорированная труба с просверленными в шахматном порядке круглыми отверстиями диаметром 1—20 мм. Число отверстий должно быть таким, чтобы их общая площадь составляла примерно 20–25 % общей поверхности трубы. Такой фильтр устанавливают в водоприемной части скважины в неустойчивых скальных породах или крупноблочных рыхлых породах;

• стальной щелевой фильтр представляет собой стальную трубу, на которой в шахматном порядке фрезеруют узкие прямоугольные щели размером 1,5–3 х 25—100 мм;

• для улучшения фильтрации перфорированные дырчатые или щелевые фильтры обматывают сверху проволокой (рис. 35 а). При этом на поверхности трубы по ее длине приваривают через 20–30 мм стальную проволоку диаметром 3–4 мм. Затем вплотную друг к другу навивают стальную оцинкованную или медную проволоку диаметром 1,5–2 мм на всю длину перфорированной трубы;

• широко применяются сетчатые фильтры (рис. 35 б) для улавливания песков и взвесей в воде. Сетка, применяемая для сетчатых фильтров, изготавливается из медной или латунной проволоки и имеет отверстия диаметром от 0,1 до 0,5 мм. Чем меньше отверстия сетки, тем чище получается отфильтрованная вода. На перфорированную трубу вначале наматывается опорная проволока диаметром 2,5–3 мм с шагом навивки 15–30 мм. Опорная проволока приваривается или припаивается к трубе во многих местах. Сетку закрепляют сверху опорной проволоки и припаивают к ней по всей длине. Этим добиваются необходимой прочности закрепления сетки на перфорированной трубе;

• гравийные фильтры (рис. 35 в) бывают нескольких типов. Самый простой: гравий засыпают в скважину после ее устройства. Но сначала в скважину опускают дырчатую трубу или сетчатый фильтр, который по мере подъема обсадных труб обсыпают гравием. Его зерна должны быть в 10–20 раз крупнее диаметра песчинок водоносного слоя. Фильтр закрепляют на конце водоподъемной трубы и опускают в заранее пробуренную и предварительно очищенную скважину. Опустив фильтр, его обнажают, поднимая обсадные трубы на высоту фильтра.

Рис. 35. Фильтры:

а – фильтр с проволочной обмоткой: 1 – труба; 2 – проволочная обмотка; 3 – стальные прутки (опорная проволока); 4 – отверстия; б – фильтр сетчатый: 1 – наконечник; 2 – труба; 3 – сетка; 4 – проволочная обмотка; 5 – отверстия – перфорация; в – фильтр гравийный: 1 – сетка; 2 – гравий

После пробного откачивания воды из скважины и получения удовлетворительной степени фильтрации обсадные трубы можно вытащить из скважины, а скважину передать в эксплуатацию.

В сравнении с шахтными колодцами буровые колодцы обладают рядом преимуществ:

• буровые колодцы гигиеничнее других, так как вода попадает в них не сразу, а предварительно очистившись, пройдя через различные слои почвы и фильтр тонкой очистки, смонтированный на конце водоподъемных труб;

• буровые колодцы менее трудоемки в строительстве. Пробурить скважину глубиной до 30 м, смонтировать водоподъемник трубы с фильтром и сдать в эксплуатацию возможно за 1–2 дня. На устройство шахтного колодца такой глубины требуется 30–60 дней. Буровые колодцы дешевле шахтных.