|
| ||
| Бурение скважин | Технология | Цены | Фото и видео | Техническая литература | ||
 | Скважины, лучевые водозаборы |
|
|
Техническая литература Станок для бурения БУР-50:  |
Вода на вашем участке, источники воды Содержание книги об источниках воды Скважины, лучевые водозаборы Возникла необходимость проникнуть в глубь Земли. Для этой цели изобрели буровой станок. Вначале это было примитивное приспособление ударного действия с весьма низкой производительностью. В начале XX века на смену ему пришел буровой станок вращательного действия. Проходя через толщу горных пород, бур выносит на поверхность образцы, по которым определяют состав пород, их водоносность. В настоящее время, как правило, ведут комплексное разведочное бурение, то есть в одной скважине определяют наличие нескольких полезных ископаемых, в том числе и воды. Теперь на помощь гидрологам пришли новейшие достижения науки. Поиск воды ведется геофизическими методами, электрической, сейсмической и нейтронной разведкой. Весьма эффективным признан аэрометод — поиск подземных вод путем фотографирования местности. Обильная растительность в засушливые сезоны, когда кругом уже все засохло, указывает места близкого залегания подземных вод. Это модификация геоботанического метода поиска воды. Этот принцип в последние годы стали использовать в космической разведке воды. У космической гидрогеологии большое будущее, так как этот метод позволяет обследовать все места, включая и труднодоступные. Буровая скважина не случайно по своей конструкции напоминает подзорную трубу (рис. 2). Телескопичность ее строения, связанная с требованиями бурения и геологии, позволяет экономить материалы, что особенно важно, когда выработка имеет большую глубину. Самая нижняя часть скважины служит отстойником, где вода, прежде чем попасть в насос, освобождается от содержащихся в ней мелких частиц. Над отстойником находится водоприемная часть скважины — фильтр. Это именно та дверь, через которую грунтовая вода попадает в рабочую зону скважины. Выше водоприемной части скважины располагаются колонны эксплуатационных и обсадных труб, которые, с одной стороны, «обсаживают» скважину, удерживая ее стенки от обрушения, с другой — служат для размещения в них водоподъемных труб и насоса. Над эксплуатационной колонной находится кондуктор. Оправдывая свое название, он каждой проходящей через него при бурении трубе задает точное направление. С наружной стороны кондуктор одевается в цементную или глиняную рубашку-замок, который предотвращает засорение водоносного горизонта от попадания в него с поверхности грязной воды через затрубное пространство обсадных труб (затрубная цементация).  Рис. 2. Буровая скважина 1 — фильтр скважины; 2 —эксплуатационная колонна труб; 3 —колонна обсадных труб; 4 — кондуктор; 5 — затрубная цементация; 6 — устье скважины (оголовок); 7 — павильон (шатер); 8 — насосные (водоподъемные) трубы; 9 — насосе погружным электродвигателем; 10 — отстойник Самая верхняя часть скважины именуется устьем, иначе — оголовком. Собственно «головой» скважины является установленный над нею павильон (или просто шатер), где монтируется различное механическое и электрическое оборудование (двигатель, приводящий насос в действие, щит управления, контрольно-измерительные приборы и т. п.). В наше время чаще всего оголовок скважины держат «на ключе», так как делать там почти нечего: в большинстве случаев насосы включаются и отключаются автоматически. Наиболее важной, фактически решающей частью водозаборной скважины является ее фильтр. Существует множество типов фильтров, различающихся конструкцией и материалом. Основой большинства типов фильтров является каркас. Это может быть либо фильтровая труба с щелями или круглыми отверстиями, либо цилиндрический стержневой корпус, изготовленный из металлических прутков или толстой проволоки. Каркас — это скелет, на него надевается «платье» из фильтрующего материала, который и служит для процеживания воды. Наиболее трудоемок по устройству гравийный засыпной фильтр. Для его образования необходимо, чтобы диаметр каркаса был меньше диаметра обсадной трубы. Это позволяет в затрубное пространство между ними засыпать сверху гравий и песок, которые и составляют тело фильтра. После засыпки фильтрового материала обсадная труба поднимается вверх, и окружающий скважину естественный грунт водоносного пласта прижимает гравийный фильтр к каркасу. Вместо засыпки нередко применяют кожуховые или корзинчатые гравийные фильтры, которые представляют собой кольцевые сетки-корзины с заранее насыпанным в них гравием. Кроме этого, также как в горизонтальных водозаборах, для фильтров скважин все больше применяют новые фильтрующие материалы: полимерные, стекловолокнистые, из пористой керамики, бетона и т. д. Стремление в наибольшей степени механизировать работу по устройству гравийных фильтров открыло путь в водозаборные скважины связующим материалом: кольца фильтра изготавливаются из гравия, зерна которого скреплены друг с другом цементным раствором или синтетическим клеем. Но напомним, что все это относилось к скважинам, заложенным в мелкозернистых песках. Если же водоприемную часть скважины окружает гравий или хотя бы крупнозернистый песок, то дело обстоит значительно проще. В этих случаях фильтровую трубу или каркас одевают сверху проволочной сеткой или просто обвивают проволокой. Размеры ячеек, через которые должна течь вода, выбираются в зависимости от гранулометрического состава окружающего скважину грунта. Кстати, опыт работы именно таких фильтров показывает, что сама природа поставляет нам конструкторские идеи. Дело в том, что в первые минуты откачки воды из скважины, оборудованной сетчатым фильтром, происходит вынос из грунта мелких частиц. Остальные, как по команде, выстраиваются по схеме «обратного фильтра»: ближе к скважине оказывается крупный гравий, за ним устанавливаются слои более мелкого грунта. Это обеспечивает механическую прочность всей при-скважинной зоны (см. рис. 10). Для сеток и обмоток фильтров используют проволоку из нержавеющей стали, латуни, перхлорвинила, а иногда — из мельхиора и серебра. В годы войны советские саперы обнаружили в старых немецких скважинах даже фарфоровые фильтры. Но зачем зарывать в землю столь дорогие материалы? Их применение вызвано необходимостью бороться с одним из самых могучих и вездесущих явлений на нашей планете — процессом окисления. В воде всегда, в большем или меньшем количестве, содержится растворенный кислород. Из-за него (а также азота, хлора, калия, магния и прочих элементов и их соединений) фильтры скважин часто не выдерживают и двух-трех лет эксплуатации — проволока и стержни ржавеют, становятся тонкими и прорываются. Окислительно-восстановительные реакции, с одной стороны, разрушают фильтры, а с другой — приводят к закупориванию его водоприемных отверстий, или, как говорят, к «за- 2-2 растанию». Продукты распада — окиси, соли постоянно откладываются на поверхности фильтров. К ним неизбежно присоединяются глинистые частицы, выпадающие из воды, обволакивающие малейшие неровности. Не отстают от них и различные водные бактерии, которые тоже стараются зацепиться за проволоку фильтров и разрастись в целые колонии. Все это вместе часто образует плотную и толстую пленку, иногда почти полностью закупоривающую водоприемную поверхность скважин. С закупоркой фильтров ведут борьбу химическими, механическими и физическими методами. Например, промывают их 10-15%-ным раствором соляной кислоты, которую под давлением закачивают в скважину. Раствор соляной кислоты растворяет соли, наросшие на фильтре, и вымывает их на поверхность. Механический способ предусматривает очистку фильтров различными проволочными щетками, «ершами», скребками, которыми обычно чистят трубы вообще. Сюда же следует отнести и гидродинамический способ: на поверхность воды в скважине сбрасывают тяжелую цилиндрическую болванку, ударная волна через воду передается на поверхность фильтра и сотрясает слои засорения, который откалывается, как штукатурка со стены. Очень часто для очистки фильтров водяных скважин применяют так называемое торпедирование. В данном случае роль торпеды играет простой детонирующий шнур или небольшой пороховой заряд-хлопушка. Взрывная волна передается через воду фильтру, и он очищается. Проник в область очистки скважин и такой универсальный очиститель, как ультразвук. Он снимает накипь в паровых котлах и паропроводах, очищает турбины электростанций и даже стирает белье. По инициативе сотрудника Всесоюзного научно-исследовательского института подземных сооружений А.Б. Мещанского ультразвук начинает успешно применяться и для очистки водяных скважин. Пройдя фильтр и заполнив скважину, грунтовая вода попадает в водоподъемник — основу всего водозабора. Принцип действия любого насоса базируется на стремлении нарушить фундаментальный закон гидродинамики: принцип неразрыв ности потока. Насос пытается разрушить сплошность текущей жидкости, оторвать одну ее часть от другой. Но это, конечно, невозможно: не закрепленная ничем щель или отверстие в воде существовать не может, она «заплывает» уже в момент своего образования. Единственное, что может насос — это немного «растянуть» жидкость, проредить ее, ослабить связи между частицами. Отражается это на понижении давления в потоке, т. е. на возникновении вакуума. На поверхность воды давит воздух с силой, равной атмосферному давлению. А в ближайшей к насосу зоне давление более низкое. Поэтому, в соответствии с известным законом сообщающихся сосудов, вода устремляется по всасывающей трубе к насосу, а он перебрасывает ее в противоположную сторону «на выход», в так называемый напорный патрубок. В нем, благодаря действию насоса, создается напор, выталкивающий воду в водоотводной трубопровод. С какой же силой засасывается вода в рабочую полость насоса, велика ли она? Еще Эванджелиста Торричели в 1643 г. установил, что в идеальных условиях эта величина равна 10 м водяного столба. Практически же насос может засосать воду только с глубины 6-8 м, а то и меньше. Это и есть его всасывающая способность. Но как же быть, если глубина воды в скважине больше этой величины? Приходится опускать рабочий орган насоса вниз, погружать его под уровень воды. Но об этом ниже. Простейший из насосов, пришедший в водоснабжение от традиционной нефтяной качалки — это поршневой штанговый насос объемного действия. Устройство его необычайно просто и напоминает черпание воды ведром из колодца. Поршень насоса — цилиндрический стальной стакан с круглым донным отверстием, где установлен шарик-клапан. Когда стакан падает вниз, клапан открыт и вода поступает через отверстие в стакан; когда он поднимается, шарик прижимается водой к отверстию и закрывает его. Поступательно-возвратное движение поршню сообщает длинная стальная штанга, приводимая в действие балансиром — устройством, очень похожим на обычный колодезный «журавль». Однако чаще всего для откачки подземной воды применяются лопастные центробежные насосы, которые удается легче всех других электрифицировать. Представим себе колесо, которое вращается на валу двигателя и имеет радиальные плоскости-лопатки. Помещенное в металлический кожух-корпус насоса, такое колесо загребает притекающую к нему воду и отбрасывает ее в сторону, к напорному патрубку. С противоположной стороны рабочего колеса — там, где отбирается вода —в результате действия центробежных сил создается разрежение, вакуум, куда и засасывается вода из скважины. Если у поршневых штанговых насосов длинные «руки»-штанги, которые позволяют загребать воду на большой глубине, то с центробежными насосами дело обстоит сложнее. Увеличить их высоту всасывания невозможно, она ограничена величиной «торричелиевой пустоты». Поэтому в последние два десятилетия широкое распространение получили глубинные насосы, корпус которых погружается в воду. Сначала конструкторы опустили в скважину только сам насос, а двигатель, который боится влаги, оставили на поверхности земли. Передача вращения посредством длинного стального вала оказалась неудобной, громоздкой и требовала строгой вертикальности и прямолинейности скважин. Тогда был сконструирован центробежный насос с погружным электродвигателем. Заключенный в герметичный корпус, такой насосный агрегат позволяет надежно вести откачку воды даже с 500-метровой глубины. Часто при пробной и опытной откачке воды из скважины применяется эрлифт. Название говорит само за себя. В скважину от компрессора по трубе подается под давлением сжатый воздух. Его пузырьки насыщают воду и образуют водо-воздушную смесь, которая, благодаря своей легкости, поднимается вверх. На поверхности она изливается в сбросную трубу или лоток, где воздух улетучивается, а вода остается. Таким образом, воздух («эр») здесь служит своеобразным «лифтом», который поднимает воду на нужную высоту. Существует и множество других типов водоподъемников, отличающихся принципом работы, конструкцией рабочего ор гана, материалом, приводом и т.п. Например, находят применение винтовые насосы, работающие по принципу шнека. В сельском хозяйстве используются ленточные или ячеисто-ленточные водоподъемники, в которых металлическая или резиновая лента при движении вверх поднимает воду в своих ячейках и выливает ее в желоб. Интересны и водоструйные насосы (гидроэлеваторы), работающие по принципу пульверизатора — здесь эжекционный эффект создается струей воды, подаваемой под напором сверху и увлекающей воду из скважины. Конструкция скважины непосредственно связана со способом ее устройства. В бурении на воду, часто соперничая друг с другом, господствуют два способа: ударный и вращательный, принципиально отличающиеся друг от друга. Ударно-канатное бурение, например, заключается в том, что горные породы в забое скважины разрушают ударным воздействием сбрасываемого сверху рабочего бурового инструмента. По форме он напоминает обычное плотничье долото. Плоская болванка, имеющая заостренную нижнюю кромку, вместе с надетой на нее сверху тяжелой ударной штангой опускается в скважину на канате (отсюда название) и совершает удары по забою, каждый раз поворачиваясь вокруг своей оси на некоторый угол. Это последнее и обеспечивает круглую форму выработки. Рабочий буровой инструмент испытывает большую нагрузку и сильно изнашивается. Его часто приходится ремонтировать или заменять новым. В старину среди русских буровиков была распространена даже такая поговорка, которую приводит в своем словаре В.Даль: «Бур не стоит, тупится — подварить ему надо кудри, поправить в кузне». В процессе ударно-канатного бурения в скважину периодически подливают воду, она охлаждает долото и, смешиваясь с частицами разрушенной породы, образует шлам, который в дальнейшем извлекается с помощью желонки — специального подъемного металлического стакана. Если проходка скважины ведется в рыхлом песчаном или гравелистом грунте, который неустойчив и осыпается, то бурение осуществляется через колонну обсадных труб. Основным элементом станка ударно-канатного бурения является балансир — стальная или деревянная балка, к одному концу которой прикреплен бурильный канат, а другой подсоединен к шатуну и кривошипу вала двигателя. Посредине своей длины балансир с помощью шарнира закрепляется на опорной стойке, и, когда шатунно-кривошипный механизм приводится в действие, он начинает качаться, а ударная штанга с долотом — «клевать» забой скважины (все та же насосная качалка, или колодезный журавель). Вместо каната для подвески ударного инструмента иногда используются буровые штанги — тогда бурение называют ударно-штанговым. При вращательном роторном способе бурения двигатель, установленный на поверхности, посредством ротора — массивного стального кольца, соединенного с ним — передает вращение находящемуся на забое долоту через колонну опущенных в скважину бурильных труб-штанг. В процессе бурения по бурильным трубам на забой непрерывно подается сверху глинистый раствор. Он охлаждает долото, и, захватывая выбуренные частицы породы, поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины. Таким образом, происходит постоянная очистка забоя. На этом роль глинистого раствора не ограничивается — в рыхлом грунте он проникает в поры, связывает друг с другом песчаные зерна и образует глиняную корку, закрепляющую стенки скважины и не дающую ей обрушиться. Однако это имеет и существенную отрицательную сторону: закупоривая водоприемную поверхность, глинистый раствор приводит снижению водозахватной способности водозабора — приходится затрачивать довольно много времени и средств, чтобы очистить скважину, разглинизировать ее стенки. Вот почему роторное бурение, хотя и эффективнее ударно-канатного, в маломощных водоносных пластах может и обеспечить подачу воды из скважины в нужном количестве. В последнее время появились предложения заменить глинистый раствор другим (например, известковым) — таким, который легко бы растворялся и вымывался при промывке скважины. Это может значительно расширить область применения вращательного бурения при устройстве подземных водозаборов. С каждым годом все большее распространение получает способ вращательного бурения водозаборных скважин с обратной промывкой. Смысл его заключается в том, что, в отличие от описанной выше промывки забоя скважин с прямой подачей глинистого раствора по бурильным трубам, здесь, наоборот, раствор (а теперь, чаще всего, просто вода) подается в кольцевое пространство между стенками скважин и колонной буровых труб. Поток поступающей воды (раствора) удерживает скважину от обрушения, смешивается на забое с выбуренным грунтом и по буровым трубам всасывается наверх. Отсюда второе название этого способа — всасывающее бурение. Благодаря такой промывке забоя, скорость восходящего потока в буровой колонне не зависит от диаметра скважины, поэтому она может быть достаточно большой, что позволяет выносить куски породы значительных размеров, а следовательно, вести проходку скважин намного большего диаметра, чем при прямой промывке. |
|