Оглавление
От быка до турбобура
Бурить скважины люди начали давно. Известно, что в эпоху династии Хань (202 до н. э. — 220 н. э.) китайцы уже умели строить скважины, достигавшие 600 м в глубину. Судя по сохранившимся изображениям, при этом использовался ударно-вращательный метод бурения: быки поворачивали долото, а группа людей синхронными прыжками загоняла его глубже в землю. Первая информация о бурении скважин в России относится к IX веку и связана с добычей растворов поваренной соли в районе Старой Руссы.
Официально принято считать, что первую скважину глубиной около 500 м, предназначенную для коммерческой добычи нефти, построил в 1859 году в штате Пенсильвания Эдвин Дрейк. Однако известно, что как минимум за 10 лет до этого нефтяные скважины успешно строили в Баку, и это не единственный пример, позволяющий оспаривать пальму первенства США.
В середине XIX века при бурении скважин для добычи соляных растворов, а потом и нефти применялось в основном ударное бурение. При этом разрушение (дробление) породы происходит под действием ударов падающего снаряда либо ударов по самому неподвижному снаряду. С увеличением глубины бурения эта технология становится все менее эффективной — сложнее промывать скважину, жидкость создает дополнительное сопротивление падающему долоту, а при бурении без промывки много времени уходит на очистку и крепление скважины. Поэтому на смену ударному пришло вращательное бурение.
Внедрение технологии механического роторного бурения в начале ХХ века стало одним из ключевых событий развития нефтяной промышленности. Впервые новую технологию применили на нефтяных промыслах Техаса в 1901 году. При роторном бурении долото, дробящее породу, присоединялось к колонне бурильных труб, вся эта конструкция опускалась в скважину и вращалась специальным станком с поверхности.
В 1922 году советский ученый Матвей Капелюшников создал турбобур. Турбинный двигатель, вращавший долото, стали размещать прямо на забое скважины. Изобретение усовершенствовало роторное бурение, при котором долото, прикрепленное к колонне из труб, вращалось с поверхности земли.
К окончанию первой трети XX века роторное бурение полностью завоевало нефтяную отрасль. Изменения в конструкции оборудования и технологии привели к более чем десятикратному увеличению скорости проходки и снижению себестоимости буровых работ, при этом глубину скважин удалось увеличить до 3–4 км. Впрочем, и этот способ не был лишен недостатков. Среди них — громоздкость бурового инструмента: при глубине скважины в 4 км колонна бурильных труб весила более 200 тонн, и основная часть энергии тратилась именно на вращение колонны, а не на углубление самой скважины. Решить проблему позволило размещение двигателя, вращающего долото, в глубине скважины.
Устройство нефтяной скважины
Каждая колонна обсадных труб, спускаемая в скважину, имеет свое назначение и название. Первая, самая короткая, — направление. Она предназначена для предохранения устья скважины от размыва и для направления промывочной жидкости в желобную систему в процессе бурения скважины. Следующая колонна — кондуктор — изолирует водоносные пласты, перекрывает верхние неустойчивые породы. На нее монтируется противовыбросовое оборудование. Низ кондуктора, как и низ всех спускаемых после него колонн, заканчивается короткой утолщенной трубой, называемой башмаком.
Технические колонны опускают в скважину в особо сложных случаях — они служат для перекрытия пластов при определенных геологических условиях бурения (зоны высокого поглощения, пласты, склонные к набуханию от воды, осыпанию и т.п.). Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления. Она предназначена для крепления стенок скважины, разобщения продуктивных горизонтов и изоляции их от других пластов. Эта колонна спускается до продуктивного пласта.
Фильтр — участок скважины, непосредственно соприкасающийся с продуктивным нефтяным или газовым горизонтом. Через фильтр в скважину поступает жидкость. Фильтром может служить не обсаженный колонной участок ствола скважины, специальное устройство с отверстиями, заполненное гравием и песком, часть эксплуатационной колонны или хвостовика с отверстиями или щелями. На устье скважины монтируется фонтанная арматура — устройство, которое запирает скважину. Его функция — регулировать и контролировать работу скважины, предохранять от аварийных фонтанных выбросов флюида.
Устройство нефтяной скважины:
Отличительной особенностью нефтяной скважины считается соотношение ее длины и диаметра – первый параметр всегда в несколько раз больше. Так, длина – это расстояние от расположенного на земле устья до забоя (нижней части), измеряемая по оси ствола. Глубина нефтяной скважины – это проекция длины ствола на вертикальную ось. Если разработка проводится вертикально, эти показатели идентичны, в остальных случаях (наклонные, искривленные скважины) они отличаются друг от друга.
Первым этапом добычи нефти считается проектирование будущей нефтяной скважины. Разработка конструкция выполняется с учетом таких требований:
– возможность получения свободного доступа к нижней части ствола всех необходимых геофизических приборов, оборудования;
– прочное крепление стенок ствола, исключающее его обрушение;
– качественное разделение проходимых пластов, исключение возможных перетеканий ископаемого и водных горизонтов из пласта в пласт;
– наличие возможности герметизации устья.
Для пород, легко поддающихся разрушению водой, где чаще всего и залегает нефть, требуется дополнительное укрепление стволов. В этом случае схема будущей нефтяной скважины слегка меняется: рядом со стволом добавляются колонны обсадных труб, расположенных концентрически, т.е. их размеры могут быть разными, но с единым центром.
Строительство – бурение нефтяной скважины происходит поэтапно:
- Бурение шурфа. Пробивают колодец до начала устойчивых горных пород, в среднем это 4-8 м. В него устанавливают трубу и укрепляют ее при помощи бутовых камней, залитыми бетонным раствором, которыми заполняют пространство между внешней стороной трубы и грунтом. Так образуется направление.
- Создание кондуктора. Представляет собой участок из обсадных труб, которыми укрепляется следующая часть скважины – новый, более глубокой, но менее широкий шурф. Длина его колеблется в пределах от 50 до 400 м, а диаметр составляет не более 90 см. Как и в первом случае, пространство вокруг заливают цементом для большей устойчивости. Установка кондуктора позволяет перекрыть водоносные горизонты и мягкие виды горных пород, чье наличие осложняет процесс добычи.
- Установка промежуточной колонны обсадных труб. Ее создают в ситуациях, когда нет возможности сразу пробурить скважину до нефтесодержащих пластов: имеются сложные горизонты или продуктивные пласты, которые на данном этапе добычи не планируются для разработки. Установка промежуточной колонны проводится по аналогии с кондуктором, при необходимости (слишком глубокое залегание породы) их может быть несколько.
- Установка эксплуатационной колонны. Это последняя в этапе бурения колонна обсадных труб. Ее задача – перекрыть продуктивный пласт и обеспечить поступление «черного золота» в эксплуатационную трубу. Пространство вокруг нее также подлежит цементированию (бетонное кольцо), т.к. это позволяет избежать утечки нефти в другие пласты и предотвратить возможное проникновение воды в непосредственно продуктивный пласт.
После создания конструкции скважины проводится непосредственно вскрытие пласта для извлечения из него полезного ископаемого. Практически в 90 % случаев это проводится бурением до подошвы продуктивного пласта. После в нижней части эксплуатационной колонны и бетонном кольце вокруг него пробивается несколько отверстий, через которые в скважину поступит нефть. Для этого используют специальные аппараты-перфораторы.
В оставшихся 10 % случаев разрабатываемая порода представлена плотным слоем и укрепление призабойной зоны цементом не требуется. Возможен другой вариант – не опускать эксплуатационную колонну до подошвы пласта, достаточно сделать это до ее кровли. Такой метод называется открытым забоем.
Принцип работы скважины
Схема конструкции скважины и ее типового обустройства
Независимо от типа вашей скважины, принцип работы всех скважин на воду идентичный и заключается в следующем:
- После бурения стенки, во избежание осыпания, укрепляются обсадной трубой;
- Для первичной очистки воды от песка или других твердых включений устанавливается фильтр, через который вода и попадает в скважину;
- Устье герметизируется оголовком;
- Насос по водоподъемным трубам поднимает воду;
- Водоподъемная труба соединяется с водопроводной, а скважина утепляется в зависимости от выбранного способа;
- Устанавливается необходимое оборудование для автоматического водоснабжения.
Выбор точки для бурения источника воды
При выборе места для бурения скважины решающее значение имеет наличие водоносных слоёв. Именно от глубины их залегания будет зависеть множество факторов: метраж выработки, метод бурения, необходимость цементирования и устройства фильтров и т.д.
Рассмотрим подробнее, какие виды подземных вод могут служить водоисточником для хозяйственных нужд и как определить их глубину залегания.
Рассмотрим четыре типа подземных вод, которые могут стать источником водоснабжения на вашем участке:
- Верховодка — верхний водоносный слой, залегающий на глубине до 3-4 м. Наполняется за счёт талых и дождевых вод, поэтому отличается высокой степенью загрязнения. Использовать такие воды для питья и поения домашних животных запрещается, можно применять эту воду для полива растений. В период засухи и зимой верховодка может просто исчезнуть, поэтому бурение скважины до них никогда не проводят.
- Грунтовые воды на глубине не более 10 м. Такой водоносный слой образуется за счёт того, что ниже него находятся гидроупорные грунты, которые не дают просачиваться водам вниз. Грунтовые воды не иссякают даже в период засухи. Качество таких вод достаточно высокое, при наличии систем фильтрации и соблюдении санитарных норм их в большинстве случаев можно использовать для питья.
- Межпластовые безнапорные воды. Залегают на глубине от 10 до 110 м между двумя водоупорными пластами. Пласты могут иметь различное строение и водопроницаемость, например, сверху может быть супесь, а снизу – суглинок. Качество воды – обычно высокое, зависит от конкретных характеристик участка. Скважины, вскрывающие межпластовые воды, наиболее часто встречаются в личных хозяйствах.
- Артезианские воды. Располагаются на глубине ниже 40-110 м. Несмотря на то, что вода из артезианской скважины чиста и пригодна для питья, на бурение такой скважины решается не каждый владелец участка. Чтобы вскрыть водоносный участок нужно пройти немалую толщу скальной породы, а это весьма трудоемкий процесс.
К тому же для устройства потребуется получение пакета разрешительных документов. Дело в том, что для устройства артезианской скважины необходимо согласование с администрацией населенного пункта и соблюдение действующего законодательства, в том числе ФЗ “О недрах”.
Скважины бурят “на песок” и на “известняк”, так это называется на геологическом сленге. Наиболее водообильным и стабильным считается горизонт, приуроченный к трещинам в известняке
Выбор типа
Устройство автономного водоснабжения требует и правильного выбора типа самой скважины. Например, для частного дома идеально подходит абиссинский колодец. Но это только в том случае, если не планируется пить воду, поскольку часто, учитывая забор жидкости с поверхностных слоев, ее качество оставляет желать лучшего.
Но если качество не главное, то такой тип будет оптимальным. Это достаточный объем жидкости, простота монтажа, нет необходимости применять дорогостоящее оборудование. То есть абиссинская скважина не только снизит финансовые затраты, но и позволит довольно быстро получить источник воды без привлечения посторонней помощи. Через абиссинские колодцы жидкость подается при помощи поверхностных насосов. Что касается срока эксплуатации, то он достигает 25−30 лет, а иногда и выше при своевременном обслуживании.
Однако если необходимо получить действительно качественный источник воды, предыдущий вариант не подойдет. Специалисты рекомендуют бурить артезианскую скважину для питьевой воды в частном доме. Жидкость подается с глубоких слоев (часто от 80 м и выше), поэтому она чистая и пригодна для употребления. Но нужно учитывать, что самостоятельно сделать подобную систему невозможно, поскольку потребуется бурильная установка.
Абиссинская скважина
Еще одно доступное в плане финансовых затрат гидротехническое сооружение. Можно установить как на улице, так и в подвале собственного дома. Обустраивают при помощи переносного бурового станка в течение 2-3 часов, то есть в заезде габаритной техники на участок необходимости нет. По цвету и структуре песка специалист определит степень прозрачности жидкости, которую вам предстоит использовать в дальнейшем. Для поднятия воды с такой скважины используют автоматические насосные станции или вакуумные насосы. В глубину источники могут быть от 5 до 25 метров. Пользоваться скважиной можно уже спустя сутки. Практически всегда вода в ней соответствует санитарным нормам.
Плюсы
- бюджетность установки.
- срок службы более 30-ти лет.
- установка малогабаритна.
- простое обслуживание.
Минусы
- установка возможна лишь при мягком грунте.
- в засушливый период может быть снижена производительность.
- подходит только небольшой семье.
- требуется регулярная чистка от песка, ила, грязи.
Прокачки и профилактические промывки
Пробуренную скважину в обязательном порядке прокачивают, очищая ее от осыпавшихся в ходе бурения осадочных отложений.
Работу можно выполнить, используя для этого:
- специальную установку для промывки;
- компрессор мощностью в 12 атмосфер;
- насос погружного типа.
Любой из этих способов построен на том, что воздух или вода под силой давления будет выталкивать грязную воду вместе с включениями на поверхность.
С помощью промывки можно устранить только частицы песка и скопления ила, но солевые отложения на фильтре этим способом выбить не получится
Последовательность действий при раскачивании скважины:
- На дно скважины с помощью крепкого троса погружают насос, который будет откачивать жидкость.
- К выходящему патрубку агрегата крепят шланг и отводят его подальше от скважины с тем, чтобы предупредить повторное загрязнение сооружение.
- Запускают агрегат и откачивают жидкость до тех пор, пока она не станет прозрачной. Процесс может длиться несколько часов. За этот период в районе фильтрующего участка обсадной трубы может накопится слой крупнозернистого песка или мелкого гравия, который в последующем и будет выполнять роль фильтра.
Некоторые фирмы, занимающиеся бурением скважин, рекомендуют и в процессе эксплуатации сооружений время от времени осуществлять их промывку и прочистку от песка. Главный аргумент – это позволит предотвратить заиливание нижней части ствола.
Профилактическая промывка имеет смысл только, если скважина используется сезонно и с большими интервалами перерыва. Для постоянно работающих сооружений такая промывка не нужна. Ведь скважина и так ежедневно промывается насосом.
При нерегулярном использовании скважины велика вероятность заиливания стенок сооружения, и чтобы устранить осадок нужно просто ее хорошо прокачать
Дополнительная промывка может потребоваться лишь в том случае, если возникли неполадки в работе, либо же насосное оборудование не справляется с поставленной задачей.
Основные виды скважин на воду
Существует несколько реальных способов добыть живительную влагу, о которых мы вам расскажем. Есть несколько технологий, которые можно использовать для самостоятельной добычи воды на загородном участке.
Выбирать подходящий вариант вам придется самостоятельно, поскольку он зависит от ландшафта местности, а также от технического оснащения, финансов и навыков, которыми вы обладаете. Рассмотрим основные скважинные конструкции.
Сложно отдать предпочтение какой-то одной конструкции: каждая имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор зависит от ландшафта местности и от возможностей владельца участка
Трубчатый абиссинский колодец
Если на вашем участке есть родник, то обустройство колодца – отличный вариант добычи воды. Шахта этого сооружения будет играть роль накопителя жидкости. Если источник достаточно активен, до 2-х кубометров воды всегда будет находиться в вашем распоряжении.
Абиссинская скважина – это по сути, тот же колодец, но узкий и длинный. Благодаря тому, что его протяженность может составлять примерно 8-12 метров, в воду, которая его заполняет, не попадают загрязнения с поверхности почвы.
Абиссинский колодец часто называют скважиной-иглой, потому что труба, вбитая в землю при создании этого сооружения, действительно напоминает иглу
С технологией пробивки и обустройства скважины-иглы, иначе именуемого абиссинским колодцем, познакомит следующий видео-ролик:
Скважина на песок (фильтровая)
Заглубление этой конструкции на 15-30 метров осуществляется любым способом: шнековым, ударно-канатным, колонковым. Стенки скважины формируют с помощью трубы диаметром в среднем 100 – 180 мм.
Заглубленный конец скважинного ствола оснащен фильтром. В качестве фильтра используют сетку из нержавеющей стали, которую приваривают или припаивают к первому звену колонны труб перед погружением его в крупный песок с примесью гальки.
Так схематически можно представить конструкцию скважины “на песок”, где по номером 1 будет обсадная труба, под номером 2 – статистический уровень воды, а под номером 3 – сетчатый фильтр
Такая конструкция способна удовлетворить потребность в воде небольшого загородного дома с двумя водоразборными точками. Если эксплуатация сооружения носит сезонный характер, оно прослужит примерно лет пять. При постоянном использовании можно рассчитывать на 15 лет водоснабжения.
Когда же скважина все-таки заилится, её можно будет попытаться промыть. Если же реанимационные мероприятия не дадут желаемого эффекта, придется бурить новый ствол. Располагают его рядом с предыдущим.
Артезианская скважина без фильтра
Это сооружение не нуждается в фильтре. Такая скважина может достигать глубины 100 и более метров. Вода, добываемая с помощью такого сооружения, содержится в трещинах известняка. Скопившаяся в них за счет конденсации жидкость может быть не только кристально чистой, но и минерализованной.
Небольшая минерализация приемлема для повседневного использования. Если же добываемая вода по своему составу относится к числу минеральных вод, то использовать её в бытовых целях нельзя.
Схема артезианской скважины: 1 – кондуктор, 2- статистический уровень воды, 3- промежуточная колонна, 4- эксплуатационная колонна с перфорацией
Сложно заранее определить глубину скважины, которую придется пробивать в поисках воды. Можно только приблизительно сориентироваться, пообщавшись с соседями по участку и узнав у них, какие параметры имеют аналогичные сооружения на их территориях.
Грунтовые слои залегают неравномерно, поэтому полученные сведения всё равно нельзя считать точными для своего участка. По этой причине обсадные трубы приобретают с учетом корректировки полученных данных.
Советы по обустройству скважины
Надеемся, что из сказанного выше в общих чертах понятно, как можно обустроить скважину своими руками.
Позволим себе дать читателям несколько полезных советов:
- Если уровень грунтовых вод на участке высок и располагается выше глубины промерзания грунта, лучше располагать защитное помещение на поверхности, а не под землёй. Или использовать адаптер.
- В доме с круглогодичным проживанием старайтесь размещать водоснабжающее оборудование в основном здании: много места, тепло и сухо. Удобно обслуживать, техника дольше прослужит.
- Оборудование для дома с сезонным проживанием лучше разместить в подземном кессоне. Неотапливаемый дом замёрзнет, а в кессоне сохранится положительная температура. Кстати, нужно не забыть слить на зиму воду в дачном доме, если в нем больше недели не будут проживать.
- В проблемных грунтах (пучинистых, с включениями щебня с острыми ребрми, в плывунах) водопроводную трубу из дома к кессону или адаптеру желательно вести в защитном кожухе. Электрокабель же всегда помещать в защитную трубу ПНД.
- Подсоединение гидравлического оборудования к системе лучше делать через запорные вентили с разборными соединениями. При необходимости его будет просто обслужить или заменить.
- Не забудьте, что вне зависимости от типа оборудования в схему подключения должен входить обратный клапан после насоса и фильтр грубой очистки перед гидроаккумулятором.
Помимо всего прочего, в процессе эксплуатации необходимо следить за уровнем давления в пневматическом элементе мембранного бака. Проверять ежемесячно, при необходимости следует подкачивать.
Принятие решение
Проживая за городом, причем неважно — постоянно или в летний период, основной проблемой практически всегда является источник чистой питьевой воды. Конечно, в некоторых населенных пунктах имеется возможность подключиться к централизованному водопроводу и забыть о проблеме
Но для многих это невозможно из-за отсутствия последнего, да и не всегда поступающая вода отвечает предъявляемым требованием.
В таком случае можно обустроить колодец, а еще лучше — скважину для дома. Для выполнения работ потребуется проведение определенных мероприятий:
- предварительные расчеты, схема либо проект планируемого водопровода;
- выбор места на участке, для чего лучше обратиться в специализированную компанию;
- непосредственное бурение;
- анализ воды;
- выбор и покупка нужного оборудования;
- сам монтаж системы водоснабжения.
Конструкция нефтяных буровых установок
Они состоят из следующих органов и систем.
Исполнительные органы и системы
Вышка — это основная несущая конструкция любой буровой установки. По конструкции она может быть:
- Мачтовой (механическая рабочая часть размещается на двух опорах).
- Башенной (в их конструкции используются четыре несущие опоры, которые равномерно передают нагрузку на грунт).
- С двумя или четырьмя опорами.
- А- или П-образной.
Башенные конструкции более габаритные, потому что они рассчитаны на глубинное бурение.
К исполнительному оборудованию также относят:
- буровую лебедку;
- СВП;
- ротор;
- талевую систему;
- буровой насос.
Вспомогательные конструкции, механизмы и системы
Сюда входят основания, укрытия, механизмы передвижения, приемный мост, вспомогательная лебедка, система водоснабжения, обогрева, звукоизоляции, осветительная и вентиляционная техника.
Выводы и полезное видео по теме
Бурение скважины ударно-канатным способом:
Тонкости изготовления шнека своими руками:
Желающим знать, как грамотно пробурить водозаборную скважину вручную, мы привели проверенные на практике методы. Нужно подобрать оптимальный способ бурения, серьезно подойти к выбору необходимого оборудования, а при проведении бурения строго следовать советам опытных мастеров.
Результатом приложенных усилий станет собственноручно обустроенный источник водоснабжения, обеспечивающий чистой водой всех домочадцев.
Хотите рассказать как бурили скважину на собственном участке? Есть вопросы или интересные факты по теме статьи? Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке.
Выводы и полезное видео по теме
Самостоятельное бурение желонкой:
https://youtube.com/watch?v=0N_KOvdK2xU
Создание скважины вручную буром со штангами:
Как сделать абиссинский колодец:
https://youtube.com/watch?v=Z3bZ3MEFbRA
Создать скважину самостоятельно сложно, но это возможно. Каждый случай бурения индивидуален, нельзя точно предсказать, как поведет себя сооружение во время работ и в процессе эксплуатации.
Но при соблюдении технологии можно обеспечить участок источником воды, который прослужит несколько десятилетий.
Имеете опыт собственноручного бурения скважины? Расскажите, какие инструменты вы использовали для этого и сколько времени вы потратили? Пишите свои рекомендации, добавляйте фото скважины в блоке под этой статьей.
Если вы только думаете над сооружением скважины и у вас остались вопросы после прочтения нашего материала, задавайте их нашим экспертам.
