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

Необходимые приобретения

Для изготовления желонки понадобятся следующие инструменты и материалы:

• сварочный аппарат;
• болгарка или ножовка для работ по металлу;
• металлическая труба длиной примерно 80 см, диаметром 59 см;
• трос металлический;
• шайба;
• решетка металлическая;
• резиновый или металлический шар диаметром 40 мм.

Для изготовления может потребоваться клеящий состав.

Составление чертежа

Составляемый самостоятельно чертеж должен учитывать:

• наличие прорезей для слива в верхней части;
• обустройство шайбой нижней части;
• расположение шарика с установкой ограничителя в виде металлического штыря, который фиксируется на высоте трех его радиусов;
• заточку нижней части заготовки для облегчения прохождения грунта.

На верхнем конце следует предусмотреть петлю для закрепления троса. С целью утяжеления конструкции допускается применять как металлический груз, так и бетонную «пробку» на верхней части.

Этапы изготовления

При самостоятельном изготовлении желонки следует придерживаться следующей последовательности действий:

1. Приварить толстую шайбу в качестве дна на нижней части трубы. Допускается использовать шайбу с плоской и ровной нижней частью или поверхностью в форме обратной воронки.
2. Верхняя часть шайбы должна иметь форму воронки с «седлом», подогнанным по диаметру сферы.
3. Приварить на верхнюю часть трубы металлическую или из максимально толстой проволоки решетку, которая будет защищать шар от вылета из конструкции.
4. Приварить поверх решетки на верхнюю часть трубы дугу-проушину, к которой будет закрепляться рабочий трос.

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.

Оборудование

Работы по обустройству гидрогеологических скважин выполняют с помощью снаряда Шитца. Это особая установка, конструкция которой включает:

• вышку, оборудованную штангой;
• забивной клапан или стакан;
• станок;
• желонку и долото;
• каркас.

Вышку монтируют в заранее подготовленный треножник, который представляет собой конструкцию из стальных труб или деревянных брусьев. Установка конструкции осуществляется с помощью специальных крепежей и отверток. Вверху вышки устанавливают ворот для пропуска через него троса, который будет поднимать и опускать долото

При этом важно учитывать, чтобы общая длина рабочего органа была меньше высоты установки

Штангу собирают из металлических болванок, а соединение дополнительных деталей происходит посредством использования болтов или фланцев. Чтобы сделать оборудование тяжелым, внутрь образованной полости заливают бетон. Основным бурильным инструментом является стакан. Торец стакана имеет заострение в центре, поэтому при проведении работ снаряд проникает в грунт на большую глубину и без особых усилий. Дополнительно по кромке размещены острые зубья, предназначенные для разрушения влажных пород.

В верхней части стакана оборудовано место, куда бьет штанга в процессе. Оно называется наковальней. В случае использования снаряда больших размеров сохраняется ровная забивка скважины. Длина стандартного оборудования должна превышать 2 метра. Для изготовления желонки используют стальную трубу с диаметром более 90 мм. Внизу находится клапан, открытие которого происходит при соприкосновении установки с землей. Такой подход обеспечивает проникновение земли в снаряд.

Как только оборудование начинает подниматься, клапан под тяжестью грунта закрывается. Тросы изготовлены из стальных канатов, выполненных из соединенной проволоки, что обеспечивает их высокую прочность и долговечность. Толщину троса подбирают в зависимости от массы снаряда забивной штанги

При выборе оборудования во внимание принимают подсчитанное разрывное усилие. Дополнительно рекомендуется учитывать коэффициент безопасности работ

В некоторых случаях бурение скважин производится с использованием так называемых обсадных стенок. Суть технологии заключается в укреплении ствола скважины специальными трубами, которые выпускают в двух модификациях.

• Муфтовые. Такие трубы с двух сторон оборудованы резьбой. Фиксация обсадных элементов осуществляется посредством предусмотренного резьбового соединения на концах труб.
• С высаженными концами. Стыковка происходит благодаря особой конструкции трубы, на одном из торцов которой расположена высадка. Она представляет собой увеличенное сечение, созданное путем термической обработки. Внутри сечения находится резьба.

Некоторые владельцы загородных участков для обсаживания используют трубы из ПВХ. При строительстве гидротехнического сооружения рекомендуется тщательно подойти к подбору элементов буровой установки.

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.

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 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.

Проведение работ в различных грунтах

Основной процесс бурения скважины будет зависеть от почвы, в которой залегает водяное русло. Так:

1. Для создания водозабора в песчаниках или плывучих породах может использоваться ударники с плоскими сосудами для сбора земли. Такого рода почву следует прорабатывать очень медленно, а полученное отверстие обязательно обсаживать трубой по всей длине. Ввиду того, что мягкий и подвижный участок земли легко уходит, все действия рабочих должны быть очень осторожными.
2. Если основание состоит из галечника или же из гравия, то основным инструментом для изготовления скважин будет двутавровое долото. Вынимать проработанный слой земли нужно будет плоской желонкой с клапаном. Для увеличения ширины ствола рекомендуется использовать расширитель, который обваливает стенки ствола и увеличивает проход, а также облегчает выемку обрушившейся породы с максимальной скоростью.
3. Глиняные или болотистые земли, а также почву образованную смесью различных пород, можно пройти только усовершенствованной конструкцией, состоящей из укрепленного крестовиной двутаврового долота. Ввиду устойчивости и липкости обсадные трубы монтируются только у устья.

Самым сложным основанием, которое можно пройти ударно-канатным методом, считаются скальные породы. При работе с такими пластами применяется утяжеленное долото, а весь процесс сопровождается укреплением ствола.

Если в процессе работы обнаруживаются трещиноватые нижние слои или же оползни, то применяют долото с округлыми наконечниками или же крестовинами. В самых сложных случаях, когда возникает риск защемления инструмента или предполагается сбой, работы останавливают.

Что такое скважина на воду

Скважина на воду – это гидротехническое сооружение, которое является частью автономной системы водоснабжения дачного участка, частного дома или нескольких домов. Она имеет цилиндрическую форму верхняя часть которой называется устьем, дно – забоем, а стены – стволом. Её глубина определяется тем, для каких целей планируется использовать воду.

Для полива и других технических нужд подойдет вода из верхних слоев почвы (верховодки), куда может попадать разный мусор, а также химические соединения от применения удобрений на участке. Вода в этом слое находится на глубине 5-15 метров.

Минуя верховодку, на глубине от 15 до 35 метров располагается горизонт с более чистой водой, пригодной для питья. На этом уровне организуют скважины средней глубины на песке. Если верхний слой состоит из глины, то такую скважину называют артезианской.

Цены

Если обобщить цены на оборудование, с помощью которого можно пробурить скважину, то стоимость будет большой — от 30 000 до 1 700 000 рублей:

• Дороже всего обходятся самоходные буровые установки, поскольку это фактически автомобиль или трактор, снабжённые специфическим оборудованием.
• Пневматические установки с гидравлическим приводом обойдутся будущему владельцу в сумму от 230 000 до 1 700 000 рублей.
• Буровые не самоходные установки с электрическим и пневматическим приводом — от 45 000 до 500 000 рублей.
• Установки для бурения мягких и средних пород могут обойтись в сумму от 70 000 до 140 000 рублей.
• Мотобуры и бензобуры самый доступный вариант для скважин под воду. Цены варьируют в зависимости от мощности, рабочего объёма двигателя и диаметра шнека. Больше всего на цену влияет мощность двигателя. Купить мотобур или бензобур можно от 6200 до 94 500 рублей.

Используемый инструмент и оборудование

Главные рабочие инструменты и приспособления:

• для разрушения грунта используется долото;
• чтобы извлекать разрушенную породу на поверхность, нужна желонка;
• также необходим бурильный снаряд, который состоит из ударной штанги, специальных ножниц, замка и каната.

Для работы с обсадными трубами понадобятся специальные инструменты, среди которых можно назвать забивную головку, башмак, хомуты и снаряды.

Расширитель

При бурении в твердых породах используется специальный расширитель. Он помогает срезать породу со стенок скважины. Расширитель имеет подвижные резцы, которые складываются во время его движения по обсадной трубе. После того, как расширитель достигает нужного места в проходке и соприкасается с породой, резцы открываются благодаря специальному пружинному механизму.

Чтобы пройти через промежуточный водоносный горизонт, устанавливают обсадные трубы. Они забиваются ниже водоносного пласта. По мере прохождения этой прослойки производится откачка воды и удаление при помощи желонки со дна проходки смеси грунта с водой. Если будет использоваться забивной стакан, то смеси на дне нужно придать необходимую густоту. Для этого в забой подсыпается почва.

Обсадные трубы

Стенки скважины рекомендуется укреплять обсадной трубой из асбеста, стали или пластика. Пластиковые изделия самые лёгкие, простые в установке и недорогие. Основное предназначение обсадных труб:

• Эти изделия защищают скважину от осыпания породы со стенок в процессе бурения, сопровождающегося механическим воздействием.
• Не дают воде из вышерасположенных водных горизонтов попадать в скважину.
• Защищают дно скважины от загрязнения в ходе эксплуатации.

Обсадные трубы забиваются одновременно с углубление проходки. Первый участок труб должен быть оборудован расширительным конусовидным башмаком. Чтобы забивной стакан мог свободно перемещаться внутри труб, их сечение должно быть больше его ширины.

Желонки

С помощью желонки можно вычерпывать жидкость со дна скважины, подавать цементный раствор или производить забор воды для анализа при прохождении промежуточного водного горизонта.

Существует три вида желонок:

• Труба с расположенным в нижней части вогнутым или плоским клапаном. Сверху у трубы есть ручка для крепления троса.
• Желонка с поршнем, который всасывает смесь воды и грунта в момент удара штангой.
• Пневматическая желонка, состоящая из двух камер (песчаной и воздушной). Заполнение этого изделия происходит благодаря возникновению в камере необходимого давления.

В свою очередь желонка первой разновидности называется клапанной и может иметь один из трёх видов клапанов:

• С помощью плоского клапана скважину очищают от ила. Он может быть резиновым, стальным или комбинированным.
• Шариковый клапан с приваренными к нему металлическими зубьями может хорошо измельчать породу.
• Карбюраторный клапан.

Порядок работ при ударно-канатном бурении

Работа приспособления заключается в опускании и подъеме заполненного землей стакана, а последовательность создания скважины при использовании ударно-канатного метода следующая:

1. Подготовка места для размещения бурильной установки и выбор участка для устья скважины. В большинстве случаев для этого достаточно 2,5 м2 свободного пространства.
2. Первое забуривание. Оно выполняется специнструментом, и не может быть произведено глубже 1,5 м.
3. Подъем разрушенной породы на поверхность и одновременный монтаж обсадной трубы.
4. Крепление бурового стакана (или любой его модификации в зависимости от вида земли) и последующее забивание его в почву. Каждый удар должен быть такой силы, чтобы инструмент не уходил глубже 0,5 м.
5. Подъем стакана, наполненного землей, и его очистка.

Две последние операции повторяют многократно до нахождения водоносной жилы.

Бурение в различных почвах и климатах

Песок

Технология проведения бурильных работ ударно-канатным способом зависит в основном от геологических условий. Когда работы проводятся в песках или зыбучих песках – так называемых плывунах – тогда обязательно используется желонка с плоским клапаном. В этом случае одновременно с бурением нужно произвести крепление стенки скважины обсадными трубами.

Если песок чистый и водоносный – используются желонки с короткими ударными штангами

Для соблюдения правильности технологического процесса важно, чтобы частота ударов была как можно меньше

Внимание! Категорически нельзя опускать желонки ниже закрепленного башмака обсадной трубы больше чем на 50 см. Если не придерживаться этого правила, то не исключено, что песчаные карьеры скважины попадут под обвал и захватят при этом и желонку

В результате может полностью остановиться весь процесс бурения.

При бурении скважины в песках, она заполняется песком, перемешанным с водой, который поднимается за желонками

Тут важно проследить, чтобы не произошло переполнение желонок, так как в этом случае порода перебросится через них и может привести к заклиниванию или прихвату. А это чревато остановкой бурильных работ и, следовательно, снижением показателей

Этот момент нужно учесть именно при бурении в песках-плывунах. Поскольку они характеризуются высокой плавучестью, их бурение следует проводить быстрее, чем в простых песках. В таких местах при данном способе бурение категорически нельзя останавливать.

Гравий

В гравийной породе и в галечниках бурение проводится двутавровыми долотами. Единственная желонка, применяемая в этом случае, это желонка с плоским клапаном и низко посаженным башмаком. Также двутавровым долотом проводят бурение в глинистой породе.

После разрыхления до глубины 1,5м применяется любая желонка. Буровой станок используется только при проведении бурения в сильно песчаных глинах. Желонка в этом случае может быть без крепления клапана.

Глина

Вязкие, пластичные глины бурят специальным долотом, изготовленным из плоского или двутаврового долота, на конце которого дополнительно приваривают несколько лопастей, после чего долото приобретает крестообразный вид. Работая с таким специальным долотом, нужно помнить, что в скважину следует долить примерно 5 л водного раствора, а процесс бурения продолжается несколько минут, не более. Образующийся внутри скважины шлам удаляется с помощью долота.

При наличии в породе большого количества валунов есть риск искривления ствола скважины во время бурения, вследствие чего невозможно будет добывать качественную воду. Для случаев, когда требуется раздробить встречающиеся при бурении валуны, существуют утяжеленные долота.

Породы с повышенным содержанием трещин больше других склонны к обвалам и обрушениям

Поэтому при бурении в них нужно проявлять особую осторожность. Канат бурильной установки нужно держать натянутым, чтобы избежать раскачиваний инструмента и в то же время аккуратно выполнять обсадку скважины

В районах вечной мерзлоты, характеризующимися устойчивыми окаменелыми породами (плотные глинистые сланцы, песчаники, известняки), бурение производится так же, как и в обычных климатических условиях.

Этапы процесса

Проходка скважин.

Проходка скважин колонковым способом осуществляется с промывкой для удаления бурового шлама или без нее. В первом случае в состав оборудования установки включается насос высокого давления, что усложняет технологический процесс, но делает его более эффективным.

Бурение состоит из следующих этапов:

1. Подготовка площадки под размещение станка. Место забуривания очищают от мусора и посторонних предметов, выравнивают поверхность до горизонтального состояния.
2. Проходка шурфа для раствора и отвода потока жидкости. Яма располагается поблизости от будущей скважины и выкапывается на глубину ≥2 м. В тех же целях используют сварные баки или другие емкости.
3. Монтаж буровой установки, ее оснастка и сборка инструмента. Верхняя труба закрепляется во вращателе станка.
4. Бурение. Снаряд проникает в грунт за счет вращения и осевого давления, передаваемого на армированный торец коронки. Одновременно на забой скважины нагнетается вода или промывочный раствор.
5. Разгрузка керноприемника. В зависимости от применяемой технологии, действие выполняется с извлечением буровой колонны или без этой операции, если оснастка установки предполагает работу со съемным керноприемником. Извлекают породу из трубы, помогая высвобождению образца легкими постукиваниями молотка по корпусу цилиндра.
6. Возврат колонны или носителя керна в скважину и продолжение бурения с чередованием операций до достижения проектной глубины выработки.

Состав промывочной жидкости зависит от многих факторов, основные из них — тип применяемой коронки и состояние пересекаемых слоев породы. При алмазном бурении используют специальную эмульсию, в других случаях — глинистый раствор. Пересекая песчаный грунт, для укрепления стенок выработки в раствор добавляют жидкое стекло.

Особенности использования на грунтах разных типов

1. Там, где почвы рыхлые, сыпучие, желонку можно применять, но удобнее, если она будет длиннее обычной – до 3-4 метров. За один раз такой инструмент поднимает больше породы. Кроме того, не обойтись без обсадной трубы. Поливать песчаную почву нужно, чтобы она не осыпалась.
2. В твёрдых почвах приспособление можно оборудовать «зубьями» или режущим краем, благодаря которым, труба лучше врезается в грунт. Также используют долото, которое вначале опускают в штольню и измельчают камни, а затем желонкой поднимают их на поверхность. За раз заглубление небольшое, поэтому удары желонкой должны быть частые и небольшие.
3. На вязких почвах (глина, суглинок) «окно» делается узким, но длиной почти во всю желонку, чтобы легче было извлекать содержимое. Обсадные трубы применять не обязательно.

Во время прохождения плывуна и просто, когда трубы застревают в почве, лучше работать вдвоём – напарник сможет создавать утяжеление (своим весом, мешками с грузом, или постукивая резиновым молотком по площадке на трубе).