книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

рушенный грунт удаляют из забоя путем принудительной цир­ куляции рабочего агента (промывочной жидкости или воздуха).

При роторном бурении вращение буровому снаряду переда­ ется ротором, расположенным на поверхности.

Буровой снаряд роторного бурения состоит из грунторазру­ шающего инструмента, утяжеленных бурильных и ведущей труб. На верхнем конце ведущей трубы навинчивают вертлюгсальник. Отдельные элементы бурового снаряда соединяют между собой с помощью резьбовых соединений. Для соедине­ ния элементов бурового снаряда, отличающихся по резьбе или диаметру, используют переводники.

При вращательном бурении для очистки забоя от частиц выбуренного грунта, охлаждения нагреваемого при работе грунторазрушающего инструмента, а также для обеспечения устойчивости стенок скважины применяют промывочную жид­ кость, которая циркулирует по замкнутому гидравлическое контуру.

В качестве промывочной жидкости используют глинистые растворы, специальные промывочные жидкости и техническую воду.

Существуют две схемы циркуляции промывочной жидко­ сти— прямая и обратная.

При прямой схеме промывки жидкость подается на забой насосом через вертлюг-сальник и буровой снаряд. Далее про­ мывочная жидкость, омывая забой и смешиваясь со шламом, выносит его по стволу скважины вверх. На поверхности жид­ кость, циркулируя ло желобам и отстойникам, высвобождает­ ся от шлама. Затем из приемной емкости осветленная промы­ вочная жидкость вновь захватывается насосом и через нагне­ тательный шланг подается к вертлюгу-сальнику.

Процесс бурения скважины вращательным способом с пря­ мой промывкой состоит из спуска бурового снаряда, механи­ ческого бурения, наращивания бурового снаряда, промывки скважины, подъема бурового снаряда и замены грунторазруша­ ющего инструмента (долота).

Оптимальный технологический режим бурения выбирают в зависимости от геологических свойств буримых грунтов, от ти­

скважины.

Основными регулирующими параметрами при вращатель­ ном бурении с прямой промывкой являются: осевое усилие на грунторазрушающий инструмент, частота вращения бурового

щения бурового снаряда в таких условиях колеблется в диапа­ зоне от 2,5 до 4,0 с^1, а расход промывочной жидкости может достигать 10 л/с.

В глинистых грунтах (глина, суглинок) бурят в основном трехшарошечными долотами при осевом усилии 1,5—2 кН на 1 см долота, частоте вращения бурового снаряда 2,5—4 с-1 й расходе промывочной жидкости до 8 л/с.

Вращательное (роторное) бурение с прямой промывкой обеспечивает высокие скорости бурения, однако необходи­ мость использовать при этом глинистый раствор связана с про­ ведением работ по разглинизации, которыене всегда обеспечи­ вают полное восстановление фильтрационных свойств грунтов, хотя и занимают до 30% общего времени сооружения скважи­ ны. Поэтому в последнее время для бурения водопонизитель­ ных скважин применяют установки вращательного бурения с обратной промывкой (всасывающее бурение), которые по срав­ нению с другими способами обладают следующими преимуще­ ствами: позволяют бурить скважины долотом одного диаметра до конечной глубины без крепления стенок обсадными труба­ ми; предотвращают глинизацию водоносного горизонта; поз­ воляют создать вокруг фильтра песчано-гравийную обсыпку значительной толщины; увеличивают механическую скорость бурения вследствие улучшения условий очистки забоя сква­ жины; сокращают время на проведение откачки.

При этом методе бурения движение промывочной жидкости осуществляется по следующей схеме. Вода из отстойника са­ мотеком поступает к забою скважины через кольцевой зазор между буровым снарядом и стенками скважины, а поднимает­

пы й йтстойник всасывающую систему оборудуют центробеж­ ным насосом, эрлифтом или гидроэлерэтором (рис. 2.16).

Бурение с обратной промывкой можно применять в мягких грунтах (I—IV) категории по буримости) при условии обес­ печения всего процесса сооружения скважины достаточным количеством воды (до 10 м3/ч на 1 м мощности водоносного горизонта) и сохранения устойчивости ствола скважины на время ее сооружения и установки фильтра.

Для вращательного бурения с обратной промывкой ис­ пользуют специально разработанные для этой цели отечествен­ ные буровые установки 1БА-15К. и УБВ-600, а также зарубеж­ ные ГА-10, ГА-12 и ГА-20.

Рис. 2 .16 . Схемы вращательного бурения с обратной промывкой:

Для крепления скважин наиболее часто применяют метал­ лические бесшовные трубы муфтового соединения длиной 9,5— 13 м и толщиной стенок 5,2— 16,5 мм.

При креплении скважин небольшой глубины (до 50 м ), про­ буренных в рыхлых неустойчивых грунтах, а также в песках плывунного типа, когда обсадные трубы опережают буровой снаряд, целесообразно использовать безмуфтовые обсадные трубы с наружной резьбой на одном конце и внутренней — на другом.

Для крепления стенок скважин больших диаметров (200— 1200 мм) используют стальные электросварные трубы, соеди­ ненные между собой электроили газосваркой.

Наряду с металлическими трубами скважины иногда кре­ пят асбоцементными или пластмассовыми трубами.

Скважины, пробуренные установками ударно-канатного бу­ рения, закрепляют обсадными трубами следующими методами: ходовой колонны, расхаживания и свободного спуска.

Методом ходовой колонны крепят скважину, пробуренную в мягких неустойчивых грунтах. В зависимости от устойчивости стенок скважины ее крепят с отставанием или опережением за­ боя. В мягких неустойчивых грунтах вследствие трения о грунт опускание труб встречает значительное сопротивление, возра­ стающее по мере углубления скважины. В связи с этим для принудительной .посадки обсадных труб применяют ударные

1300 кг.

Обычно в начале забивки обсадные трубы идут вниз быст­ ро (1— 1,5 см за 3—5 ударов), затем движение их замедляет­ ся. Если после 70—80 ударов забивного снаряда трубы опус­ тились всего на 1 см, то крепление скважины трубами данного диаметра прекращают и переходят на следующий диаметр труб.

Кроме ударных снарядов для принудительной посадки об­ садных труб применяют вибромашины. Создаваемые ими коле­ бания ослабляют силы связи грунта с трубами, что способст­ вует повышению скорости .погружения обсадных труб.

Для выравнивания стенок скважины и предохранения об­ садных труб от деформации на нижний конец первой обсадной трубы навинчивают обсадной башмак. При посадке труб с за­ биванием или задавливанйем применяют гладкий башмак, име­

конце.

Для предохранения верхнего конца обсадных труб от смя­ тия при забивке на него надевают предохранительную голов­ ку. При креплении скважины обсадными трубами муфтового

скольких смежных диаметров, надеваемые непосредственно на их верхнюю часть.

Расхаживание обсадных труб заключается в передаче им возвратноили прерывисто-поворотных движений относитель­ но их оси. Угол поворота обсадных труб изменяется от 20 до

ванием, так как расхаживание приводит к снижению сил тре­ ния труб о стенки скважины. Благодаря возвратно-поступатель­ ному движению труба достаточно свободно продвигается в грунте, а фрезерный башмак обсадной трубы разрыхляет грунт забоя скважины, облегчая последующую проходку скважины.

Свободный спуск обсадных колонн производят на интерва­ ле, закрепленном трубами большого диаметра, или при буре­ нии в устойчивых грунтах, когда диаметр скважины превыша­ ет наружный диаметр башмака и муфт обсадной колонны. Ко­ лонну спускают после углубления скважины на 50—60 м при переходе на другой диаметр. Трубы идут свободно, без при­ нудительной посадки. Башмак каждой колонны труб внедряют

монтажом обсадных труб в скважину ее ствол равномерно про­ рабатывают.

Для уменьшения нагрузки на талевую систему и мачту бу­ ровой установки в нижней части обсадной колонны устанав­ ливают обратный клапан. Он препятствует поступлению гли­ нистого раствора из скважины внутрь обсадной трубы.

Асбестоцементными и пластмассовыми трубами крепят в основном скважины, пробуренные вращательным способом и имеющие глубину не более 150 м. При этом необходимо учесть, что асбестоцементные трубы имеют иные размеры, чем сталь­ ные обсадные трубы. При примерно одинаковых наружных диаметрах внутренние диаметры асбестоцементных труб на 20—40 мм меньше внутренних диаметров стальных труб. В свя­ зи с этим в скважине, закрепленной асбестоцементными труба­ ми, возможна установка водоподъемника, меньшего на одиндва очередных диаметра по сравнению с тем, который мог бы быть установлен в соответствующей колонне обычных сталь­ ных труб.

Асбестоцементной или пластмассовой обсадной колонной, состоящей из труб, соединенных между собой резьбовыми муф­ тами, крепят скважины так же, как -и металлическими труба­ ми. При безрезьбовом соединении неметаллических труб обсад­ ные колонны опускают в скважину с нижней поддержкой. С этой целью к перврй трубе присоединяют башмак с муфтой, оснащенной левой резьбой. Спуск таких колонц осуществляют с помощью бурильных труб, устанавливаемых внутрь обсадной колонны и соединенных с муфтой несущего башмака. По до­ стижении обсадной колонной требуемой 'глубины бурильные трубы вывинчивают из башмака и поднимают на поверхность. Верхнюю часть колонны для предохранения от разрушения за­ канчивают металлической трубкой длиной 2—3 м и внутрен­ ним диаметром, равным диаметру асбестоцементных труб.

2.5.3. Фильтры водопонизительных скважин

Фильтром или рабочей частью называют участок скважи­ ны, закрепленный водопроницаемым устройством, предохраня­ ющим водоносные породы от обрушения.

Конструкция фильтра должна удовлетворять следующим требованиям: обладать необходимой механической прочностью и достаточной устойчивостью против коррозионного и эрозион­ ного воздействия .воды; иметь минимальное гидравлическое со­ противление и обеспечивать максимальный пропуск воды с до­ пустимыми скоростями; иметь необходимый процент скважности и соответствующие размеры проходных отверстий для пред­ отвращения отложения солевых осадков на поверхности фильт­ ра; быть простыми в изготовлении и надежными в эксплуата­ ции; не допускать выноса мелких фракций породы; исключать возможность пескования скважины при эксплуатации фильт­ ра; предусматривать возможность механической и химической очистки.

Основными конструктивными типами фильтров, получивших наибольшее распространение в практике водопонижения, явля­ ются: дырчатые и щелевые, сетчатые; каркасно-стержневые и гравийные.

Дырчатые и щелевые фильтры применяют при водопонижении в гравелистых, галечниковых и трещиноватых скальных грунтах. Они представляют собой перфорированные трубы с круглыми отверстиями диаметром 7— 10 мм или с щелями ши­ риной 2,5—5,0 мм и длиной 50—250 мм.

Сетчатые фильтры (рис. 2Л7) состоят из перфорированной с отверстиями или щелями трубы /, вдоль которой наварены 8— 15 продольных стержней 2 диаметром 6—8 мм. На стерж­ ни намотана проволока из нержавеющей стали 3 диаметром 2—3 мм с расстоянием между ветвями 15—25 мм. Проволока

через каждые 300—500 мм приварена к каркасу, поверх кото­ рой укрепляют фильтрационную сетку 4. Для изготовления фильтров применяют сетки квадратного или гладкого (галун­ ного) плетения, изготовляемые обычно из латунной проволоки и меди.

Недостатком фильтров такой конструкции является электро­ химическая коррозия, возникающая, из-за применения в кон­ струкции двух разноименных металлов (медь и сталь), обла­ дающих различными электродными потенциалами. Для пре­ дупреждения электрохимической коррозии медные и латунные сетки могут быть заменены сетками из нержавеющей стали.

Кроме того, фильтры могут быть изготовлены из штампо­ ванной гофрированной сетки .из пластических масс с круглы­ ми отверстиями.

Сетчатые фильтры применяют при водопонижении в круп­ ных и среднезернистых песках.

Каркасно-стержневые фильтры (рис. 2.18, а) представляют собой сваренные в трубчатые каркасы металлические стержни, на которые навиты проволочные спирали. Буровые трубы в (Этих фильтрах применяют только для изготовления соедини­ тельных патрубков и опорных поясов под стёржни.

равлическими свойствами и обеспечивают наиболее эффектив­ ную работу скважин при длительной их эксплуатации. Особен­ но успешно применяют эти фильтры в водах неустойчивого хи­ мического состава.

Гравийные фильтры включают в себя опорный каркас из дырчатых или щелевых труб, каркасно-стержневых или иных конструкций. Водоприемная часть, контактирующая с грунтом,

и закрепленную обсадной колонной скважину на забой опус­ кают опорный каркас. Зазор между обсадной колонной и опор­ ным каркасом заполняют малыми порциями песчано-гравий­ ной смесью. По мере заполнения обсадную трубу поднимают с таким расчетом, чтобы гравийно-песчаная смесь находилась выше башмака обсадной трубы на 0,5— 1 м до полного запол­ нения кольцевого пространства на требуемую глубину.

Правильное распределение гравийно-песчаной смеси дости­ гается постоянной шириной кольцевого зазора между обсадной

трубой и каркасом. Для этого устраивают направляющие ско­

скважины с гравийной обсыпкой толщиной 150—200 мм и бо­

ной практике применяют несколько разновидностей фильтров блочного типа. В большинстве случаев блочные фильтры из­ готовляют из гравия, сцементированного вяжущими вещества­ ми (сульфитно-спиртовой бардой, битумом, бакелитовым клеем марки БФ-4 и др.). Кроме того, известны блочные фильтры,

В первом случае на корпусе трубчатого или каркасно-стерж­ невого фильтра жестко закрепляют изготовленный из штампо­ ванного листа или металлических сеток наружный кожух, в ко­ тором укладывают заполнитель (обсыпку), представляющий собой песок, гравий или песчано-гравийную смесь. Для того, чтобы кожух не раздавался в стороны, его обматывают прово-- локой или охватывают поясами.

По гранулометрическому составу обсыпку желательно при­ менять однородной, лучше монофракционной. Для уменьшения ее стоимости применяют обсыпки. более широкого грануломет­ рического состава, из которых отсеяны мелкие и самые круп­ ные фракции. При подборе состава обсыпки должно быть со­ блюдено условие:

где Z>5o — диаметр частиц, мельче которых в обсыпке содержит­

2.5.4. Насосное оборудование водопонизительных скважин, его монтаж и эксплуатация

Для откачки воды из скважины применяют насосы двух мо­ дификаций: с электродвигателем, расположенным над скважи­ ной, и с погружным электродвигателем.

В качестве насосов для откачки воды из скважин с элект­ родвигателем над скважиной применяют' артезианские насос­ ные установки двух типов: АНТ и А.