Бурение скважины желонкой: полный обзор технологии бурения ударно-канатным методом

Технология проведения работ и оборудование

Известны два метода использования колонкового бура: работа с подачей жидкости на забой или на сухую, то есть без бурового раствора.

Бурение без использования бурового раствора применяется в случае, если несвязные грунты пропитаны естественной влагой в достаточном для проходки и извлечения количестве. Воду также не подают в ствол выработки при проходке по текучепластичным, мягкопластичным и тугоппластичным суглинкам/глинам, твердым и пластичным супесям.

Жидкость в обязательном порядке применяют при разбуривании скальных и полускальных горных пород. При отсутствии воды в этом случае углубление происходит значительно медленнее. Помимо этого существенно возрастает вероятность преждевременного выхода из строя коронки, в связи с чем бурение на сухую считается более затратным.

При бурении с буровым раствором скорость углубления существенно возрастает. Чаще всего данный способ применяется при бурении скважин значительной глубины. Это позволяет выполнить работы в кратчайшие сроки с минимальным риском повреждения коронки.

Еще воду под высоким напором подают на забой в процессе разработки скважины в рыхлых несвязных грунтах, если отбор керна не является задачей. Струей воды в данном случае просто промывают забой, освобождая ствол выработки от разрушенного грунта.

Принцип колонковой методики

Основным элементом при колонковом бурении является разрушающая режущая деталь, установленная на подошву колонковой трубы. Называют ее коронкой. Для проходки скальных пород применяют особые коронки, оснащенные алмазными резцами.

Именно алмазная коронка обеспечивает практически беспрепятственное прохождение бура на большую глубину при проходке водозаборных выработок на известняк. То есть при разработке скважин, заглубленных в коренные породы, в трещинах которых в результате многовековой конденсации формировались запасы наиболее чистой подземной воды.

Горная порода разрезается с помощью коронки, вращающейся на высоких оборотах. Скорость вращения бура можно регулировать в зависимости от плотности разрабатываемого грунта. Коронка “вырезает” грунт только по краю своеобразного цилиндра, центральная часть которого продавливается в колонковую трубу.

Для извлечения керна буровой снаряд поднимают на поверхность. Захваченный им грунт буквально выдувают из колонкового бура струей воздуха, поданной в верхнюю часть трубы. Процесс выдува ускоряют, простукивая снаряд кувалдой.

Колонковые буры при прохождении прочных пород обладают большей производительностью, чем матричные и шарошечные долота. Это обусловлено высокой скоростью вращения бура, благодаря чему снижается степень прикладываемых усилий на разработку.

Вдобавок, долота полностью разрушают породу, которую нужно будет “вычерпывать” желонкой или подавать воду с напором для промывки забоя. По сути придется дважды, а то и трижды проходить один и тот же отрезок: сначала разрушать, затем расчищать. Колонковая технология позволяет пройти и расчистить забой за один прием.

Станки и буровые установки

Выбор станка или буровой установки определяется назначением скважины и ее диаметром. Популярность способа колонкового бурения обуславливает производство буровых установок и станков во всем мире. Тяжелые трактора, грузовики и вездеходы подходят для установок, предназначенных для разведочного бурения.

Чаще всего бурильное оборудование монтируется на классические автомобили марок МАЗ, КАМАЗ, Урал. Однако есть варианты монтажа и на более легкую технику, которая применяется для бурения скважин на воду в частном строительстве.

При ручном вращательном бурении колонковую трубу заменяет его исторический предшественник – стакан. Этот снаряд представляет собой укороченный вариант колонковой трубы с заостренной кромкой на подошве. Стакан вручную или с использованием мотобура закручивают в землю и извлекают на поверхность все, что в него набилось.

Бурим скважину приспособлением из ледобура

Существует метод бурения, который потребует минимальных финансовых вложений. Это бурение скважин вручную при помощи ледобура. Инструмент используется в качестве бура, а для его наращивания применяются самодельные штанги.

Нож ледоруба будет служить шнеком, а в качестве штанг для наращивания можно брать стальные трубы диаметром до 25 мм. Чтобы процесс шел быстрее к заводным кромкам импровизированного шнека привариваются усиленные резцы

Бурение шнеком, сделанным из ледобура, включает в себя следующие операции:

• Подготовка. Копаем направляющее углубление: яму в два штыка глубиной.
• Опускаем в получившееся углубление бур и начинаем его ввинчивать в грунт, используя правило закручивания винтов.  Следует помнить, что после каждых трех или четырех оборотов инструмент извлекается на поверхность и очищается.
• После того, как пройден первый метр в глубину, начинаем формирование ствола.Для этого в скважину опускается обсадная труба, ее диаметр должен быть несколько больше диаметра бура. Лучше всего выбирать легкие детали из пластмассы, оборудованные резьбой для соединения.
• Когда буровой инструмент начинает опускаться в забой на всю свою высоту, прикрепляем к нему удлиняющую штангу. Сделать это можно двумя способами: прикрутить деталь, если присутствует резьба, или надставить при помощи стального пальца-стержня при ее отсутствии.
• В ходе работ продолжаем формирование обсадной колонны. Как только на поверхности остается порядка 10-15 см трубы, крепим к ней следующую. Соединение должно быть прочным. Обычно оно выполняется при помощи резьбы или пайки.
• Периодически проверяем вертикальность ствола. Если бур начинает биться о стенки обсадной колонны, выравниваем сооружение при помощи клиньев из дерева. Они забиваются между грунтом и обсадной трубой.
• После того, как в скважине появилась вода и было принято решение о прекращении работ, устанавливаем фильтр и аккуратно засыпаем зазор между грунтом и обсадной трубой гравием.

Обсадная колонна может быть смонтирована и после завершения работ по бурению. В этом случае пластиковые трубы вводят в скважину и последовательно соединяют после того, как предыдущая деталь будет опущена вниз. Это не самый рациональный способ, поскольку придется еще раз чистить забой от шлама.

Пластмассовые трубы очень легкие, достаточно прочные и недорогие, поэтому их чаще всего выбирают для обустройства обсадной колонны скважины

Отличительные черты метода

Способ заключается в извлечении отработанной породы водой, под давлением нагнетаемой в полость шахты. Буровой инструмент для удаления разрушенных слоев не применяется.

Технология заключается в сочетании 2 процессов:

• образование вертикальной скважины в земле посредством поочередного разрушения почвенных пластов;
• извлечение из скважинного ствола измельченных фрагментов грунта под действием рабочей жидкости.

Процесс замешивания раствора на бурение.

Созданию необходимого усилия, требующегося для погружения режущего инструмента в породу, способствует собственный вес оборудования, состоящего из колонны штанг для бурения и оснащения для закачки жидкости в скважину.

Для изготовления промывочного раствора в отдельном приямке в воде затворяют небольшое количество глиняной взвеси, строительным миксером размешивают ее до консистенции кефира. После этого буровая жидкость мотопомпой под напором направляется в скважинный ствол.

При гидробурении жидкая среда выполняет следующие функции:

• удаление из тела водяной шахты фрагментов разрушенной породы;
• охлаждение режущего инструмента;
• шлифовка внутренней полости шурфа;
• укрепление шахтных стенок, позволяющее снизить вероятность обрушения выработки и засыпания отвалом скважинного ствола.

Из отрезков трубы длиной 1,5 м, соединяемых резьбовыми креплениями, формируют колонну, удлиняющуюся за счет наращивания фрагментов по мере заглубления скважины.

Технология гидробурения оптимальна для пород с высокой концентрацией песка и глины. Применять эту методику для обустройства автономного источника на скалистых и болотистых грунтах нецелесообразно: массивные и вязкие слои почвы тяжело вымываются водой.

Труба для изготовления корпуса

Самодельное устройство требует правильного подбора трубы. Для чистки шахты достаточно длины около 1 м. Для бурения необходима длинная заготовка — до 4 м. Эффективность рыхления почвы и скорость работ зависит от веса устройства. Следует выбирать трубу с толстыми стенками (3-10 мм).

При недостаточном весе необходимо дополнительное утяжеление одним из способов:

1. Верхняя часть заливается бетоном.
2. Сверху крепится груз.

Это обусловлено следующими особенностями:

1. При недостаточном диаметре инструмента эффективность работ будет низкой.
2. При слишком большом диаметре труба может поцарапать стенки шахты. Возможно застревание устройства, что может повлечь порчу скважины.
3. Короткая труба будет царапать стенки, слишком длинная при заполнении станет неподъемной.

Параметры заготовки должны обеспечивать пробивающую способность инструмента и возможность вытащить его из скважины.

Недостатки и преимущества процесса

Этот способ имеет большое число достоинств:

1. Водоносная порода вскрывается качественно, без повреждения пористой структуры, что продлевает срок службы скважины до 80 лет.
2. Применение системы возможно без использования спецтехники, что позволяет пробурить скважину необходимой глубины в труднодоступных местах и при ограниченном бюджете.
3. Отсутствует необходимость использования глины и промывочных жидкостей — воды или специального раствора.
4. При создании колодца можно производить бурения в валунно-галечниковых отложениях, в многолетнемерзлых породах, а также грунтах, легко впитывающих влагу.
5. Методика выполнения работ препятствует загрязнению водоносного пласта.
6. Процесс предусматривает использование инструментов большого сечения — 500 мм и выше.
7. Скважину осваивают сразу же после ее обустройства.
8. С помощью установки проводят разведочные работы. Выемка породы осуществляется по всему жерлу ствола.

Среди недостатков выделяют низкие темпы работ. Возможности метода не подходят для обустройства глубинных скважин. Такую конструкцию не используют на некоторых видах песчаных почв. К минусам процесса можно также отнести допустимость только вертикального бурения.

Алмазные бурильные долота

Алмазный буровой инструмент представляет собой твердосплавную алмазонесущую  рабочую матрицу в стальном корпусе, который оборудован  внутренней  присоединительной замковой резьбой конусного вида.

Такой буровой инструмент различается по форме рабочей матрицы, по качественным характеристикам используемых  алмазов, а также по применяемых промывочным системам.

Такие металлосодержащие порошки хорошо удерживают алмазы и дают возможность изготавливать рабочие матрицы с разной твердостью и  износостойкостью. Наилучшими показателями по таким качественным характеристикам, как прочность, износостойкость и теплопроводность, обладают алмазные матрицы  на основе вольфрама.

При изготовлении бурильных головок алмазного бурового инструмента применяются так называемые технические алмазы  массой от 0,05 до 0,34 карата.  При производстве такого  долота, к примеру,  диаметром 188 миллиметров, расходуется от 400 до 650 карат (от двух до двух с половиной тысяч алмазных зёрен).

Бурильные головки алмазных долот изготавливаются в двух модификациях:

• однослойные (типы КР. КТ, ДР, ДТ т ДК), на которых алмазные зерна размещены в поверхностном слое рабочих кромок  металлических  матриц по определённым схемам;
• импрегнированные (тип ДИ)Ю на которых мелкие алмазные зерна распределены равномерно по всей матрице.

Алмазный буровой инструмент

Алмазные долота бывают следующих типов:

• с поверхностным расположением алмазов;
• импрегированные (алмазы размещены на поверхности до 8 миллиметров);
• инструменты особых конструкций;
• с радиальным расположением каналов и с наружной поверхностью  биконического вида (ДР);
• с напорным каналом и  с тораидальными выступами (ДК);
• с синтетическим типом размещения  алмазных зерен (С);
• с импрегированными алмазными зернами (И);
• лопастные (ДЛ);
• с внутренним конусом (ДВ);
• импрегированные с заостренными торцами лопастей (ДИ);
• универсальные (ДУ).

Такой породоразрушающий инструмент применяется при бурении глубоких (более трех километров) скважин. Стойкость алмазного инструмента по сравнению с шарошечным выше в 20- 30 раз.

Общие понятия

Бурение желонкой представляет собой так называемый ударно-канатный способ бурения. В качестве бурильного инструмента используется желонка — тяжелый, полый, длинный и узкий снаряд, который роняют в шахту скважины с высоты в несколько метров.

Под тяжестью желонки слои грунта разрушаются и попадают в полость снаряда. Желонку вынимают, очищают от грунта, а затем снова бросают в шахту.

Процесс повторяют снова и снова до тех пор, пока не дойдут до водоносного слоя и не пройдут его. Хотя при описании процесс выглядит простым, он может быть долгим и трудоемким. Но специалисты отмечают, что у ударно-канатного бурения есть немало преимуществ по сравнению с другими методами. Например, при ручном бурении с помощью желонки обычно в ствол не подается вода, как это часто делается при использовании шнекового или роторного бурения.

В результате грунт в скважине не намокает, а это снижает риск ослабления или разрушения ее стенок. Еще один плюс — точное определение водоносного слоя. При “мокром” бурении понять, что долгожданная вода наконец-то появилась, не всегда просто. Даже профессионалы порой не сразу опознают этот момент и продолжают бурение. Кроме того, считается, что и дебит у “сухих” скважин повыше, чем у “мокрых”.

Желонка используется при устройстве скважин в сыпучих обломочных породах, наполненных водой. Инструмент оснащают клапаном, чтобы захватывать и поднимать наверх больше породы за один прием

Выбирая между желонкой и шнеком, некоторые мастера руководствуются следующими соображениями. У шнековых установок с промывкой, которые производит современная промышленность, имеются ограничения по глубине бурения. И мощность таких установок составляет 12 кВт. Найти мотор-редуктор, обеспечивающий такую мощность в бытовых условиях, затруднительно.

Но редуктор мощностью всего 2,2 кВт поднимает груз весом около одной тонны. Даже очень тяжелую желонку такой механизм поднимет без труда. Остается лишь бросить желонку вниз, чтобы получить достаточно сильный удар, способный разрушать достаточно плотные породы. Таким образом, при меньших энергозатратах получается более эффективное воздействие.

Кроме того, собрать желонку из подручных средств будет проще и быстрее, чем шнек, конструкция которого заметно сложнее. Известны случаи, когда с помощью самодельной желонки, треноги и мотора удавалось пробить скважину глубиной более 40 метров, хотя ушло на выполнение этой работы несколько месяцев.

Галерея изображений
Фото из
Желонка — инструмент для производства ударно-канатного бурения. Представляет собой трубу с приспособлениями для разрушения, захвата и удерживания разрушаемой в скважине породы

Вершину желонки оснащают устройством для крепления троса. Это серьга, как на фото, конус с проушиной или просто приваренный стержень

В верхней трети желонки есть отверстие, через которое производится выгрузка породы, захваченной снарядом в ходе бурения

Башмак желонки оборудуют клапаном, который удерживает пробуренную породу в трубе. Для усиления разрушающего действия низ желонки можно дополнить режущей коронкой с зубьями

Основа самодельной желонки — труба

Серьга для удерживания инструмента в скважине

Окно для выгрузки грунта из желонки

Шариковый клапан и коронка

Особенности проведения бурильных работ в разных грунтах

Ударно канатное бурение скважин своими руками не такая уж и редкость на сегодняшний день

Но, на момент начала работы важно определиться с типом грунта, по которому будет происходить ударное бурение

От этого зависит выбор оборудования, а также интенсивность работы, способ использования инструмента, количество привлекаемой рабочей силы. Чтобы понять, как именно порода земли влияет на работу, давайте разберем основные, возможные варианты работы по тому или иному грунту.

Мягкая не сыпучая почва

Далее, по стакану ударяет специальная, тяжелая штанга, которая и углубляет стакан в землю. Углубление происходит до того момента, пока внутренняя полость стакана не наполнится. После этого его поднимают, очищают и вновь приступают к работе. Именно поэтому к сыпучему мягкому грунту рекомендован стакан в качестве устройства ударно-канатного бурения.

Сыпучая почва

В случае с ударно-канатным бурением сыпучего грунта, мы не можем использовать забивной стакан. Это связано с тем, что сыпучая отработанная порода попросту будет высыпаться из внутренней полости. Для такой работы потребуется желонка, внутри которой располагается обратный клапан.

Благодаря этому, во время соприкосновения с поверхностью грунта, клапан открывается, в него набивается сыпучий грунт, после чего стакан поднимается и клапан защелкивается. Это не позволит отработанной породе высыпаться наружу.

В случае, когда ударно-канатное бурение происходит своими руками и работа ведется в песчаном грунте, есть большая вероятность обрушения колодца скважины

В таком случае, важно своевременно произвести монтаж обсадных труб по всей глубине скважины

Это позволит разместить трубу так, чтобы она зашла плотно, немного срезав лишнюю породу со стен скважины.

Каменистая порода

Когда речь идет о разработке твердой почвы, применяя ударно-канатный способ бурения, используют долото.

Так выглядит долото для ударно-канатного бурения:

Но, нужно учитывать, что в работе идет совокупность двух разных инструментов. То есть, долото бросают о землю и раскалывают основу, таким образом, чтобы потом выбрать разрушенную породу, используя желонку

Во время такого ударного бурения важно устанавливать обсадную колонну, поскольку в работе есть вероятность столкнуться с водными линзами. Это может существенно навредить ударному процессу

Технические требования

Буровые вышки состоят из копра и откоса и должны отвечать следующим техническим требованиям:

1. быть достаточно прочными для восприятия напряжений от максимальных нагрузок и ветровых усилий;
2. быстро и просто собираться и разбираться с минимальной потерей материала;
3. быть достаточно высокими в зависимости от глубины;
4. быть достаточных размеров для удобного размещения и обслуживания механизмов;
5. в зимний период быть в должной мере утепленными.

Схема буровой вышки для разведочного вертикального колонкового бурения дана на рис. 7, где 1 — габарит двигателя, 2 — габарит насоса, 3 — габарит станка.

Вышки строятся как бревенчатые, так и дощатые и трубчатые. При наклонном бурении скважины обычно пользуются треногими копрами.

2 Этапы работы

Важно помнить, что бурение с применением забивных стаканов чаще всего используют во время работы на не сыпучих и сравнительно мягких породах. Поэтому на сыпучих грунтах использование данной разновидности бурения не рекомендуют. Здесь может помочь только желонка, которая применяется при бурении скважины на сыпучих грунтах

В нижней части конструкции желонка есть специальный клапан, открывающийся во время врезания желонка в породу, в результате чего открывается свободное продвижение для сыпучего вещества

Здесь может помочь только желонка, которая применяется при бурении скважины на сыпучих грунтах. В нижней части конструкции желонка есть специальный клапан, открывающийся во время врезания желонка в породу, в результате чего открывается свободное продвижение для сыпучего вещества.

Когда желонку поднимают наверх, клапан под весом захваченной породы в свою очередь закрывается и таким образом возникает препятствие для высыпания грунта. После того, как желонка поднимается на поверхность и освобождается от породы, процесс повторяется по новому кругу.

Если вы начали бурить скважину с помощью ударно-канатного способа на каменистых и твердых породах, то лучше всего использовать специальное буровое долото, которое выполняет функцию желонка или забивного стакана. Именно ударное действие долота гарантирует разрушение каменистых и твердых грунтов, они быстро измельчаются и превращаются в достаточно мелкие частицы. С применением желонки они в дальнейшем без проблем извлекаются наверх со дна новой скважины.

Очень важно во время осуществления бурения ударно-канатным методом придерживаться основных этапов работы. Самым главным этапом является сборка и точная установка конструкции в требуемом месте. Если все сделать правильно, особенно своими руками, то никаких трудностей во время создания новой скважины возникнуть не должно

Если все сделать правильно, особенно своими руками, то никаких трудностей во время создания новой скважины возникнуть не должно.

Если вы начали бурить на сыпучем грунте, или на породах с его прослойками, то нужно следить, чтобы скважина не засыпалась грунтом. В этом случае нужно внутрь скважины установить специальные стальные обсадные трубы

Здесь важно, чтобы первой отрезок используемой трубы был с небольшим расширительным конусным башмаком

Обсадные трубы при этом должны иметь больший диаметр, чем диаметр самого забивного стакана. Это даст возможность последнему свободно перемещаться в скважине. Интересно, что во время опускания обсадных труб в скважину своими руками, которое осуществляется с помощью не очень сильных ударов или просто под собственным весом, из-за своего большего диаметра они попросту срезают часть грунта со стенок скважины.

Стоит помнить, что использование ударно-канатного способа бурения можно значительно облегчить, так как все требуемые в этом случае детали вполне реально изготовить самостоятельно, еще и в домашних условиях. Специальные глубокие познания в этой сфере вам не потребуются, главное – это иметь желание.

Технология изготовления самодельной желонки

Чтобы сделать желонку для чистки скважины, для начала следует выбрать подходящий чертеж изделия.

Для изготовления простой конструкции потребуются:

• труба (толщина стенки 5 мм, сечение – 6 см, длина – 85 см),
• шар из металла (диаметр – 4 см),
• шайба (нижняя часть плоская, верхняя – воронкообразная),
• решетка,
• трос или шнур,
• дуга для фиксации троса.

Поэтапное изготовление желонки:

1. Труба используется в качестве основы установки, лучше выбрать чугунные или металлические изделия. В нижней части желонки приваривается шайба, которая станет днищем готовой конструкции. Посадочное место под шар приваривается к основанию.
2. Сверху на трубе фиксируется решетка, что позволит предотвратить возможное выпадение шара при гидроударах.
3. Далее приваривается дуга, к которой будет крепиться подъемный механизм – металлический трос.
4. К готовому днищу конструкции привариваются вертикальные лопасти для рыхления илистых отложений и песчаного слоя.

Как сделать желонку для чистки скважины с лепестковым клапаном? Для изготовления подобного клапана используется запор из полимера или листовой стали. При этом диаметр клапана должен быть на 3 мм меньше внутреннего сечения устройства.

Запор с лепестковой клапанной системой фиксируется к основанию конструкции при помощи сварки или резьбового соединения. Края пластины для лепестков клапана тщательно шлифуются для получения гладкой поверхности. Чтобы уплотнить конструкцию, можно использовать прокладки из резины или каучука. Самодельный клапан должен быть 2-лепестковым.

Чтобы разобраться в том, как изготовить желонку из подручных средств, дополнительно можно ознакомиться с представленным видео.

Готовая конструкция с шаровым клапаном является более долговечной и надежной, она не содержит элементов, которые могут выйти из строя или потребуют замены.

Для правильной работы гидротехнического сооружения требуется проводить его своевременную очистку и обслуживание. В этих целях можно использовать заводские или самодельные устройства – желонки. Теперь многие домовладельцы имеют представление о том, как сделать желонку своими руками, сэкономив семейный бюджет и получив полезный опыт.