Роторное с промывкой, погружной молоток или колонковое бурение: выбор по породе, диаметру и глубине, необходимые расход воздуха и подача насоса для очистки скважины, и почему диаметр ограничивает производительность компрессора.
Бурение водозаборных скважин делится на три метода, и выбор между ними диктует порода. Роторное бурение с промывкой быстро режет мягкие и несвязные грунты и удерживает ствол столбом бурового раствора; погружной пневмоударник DTH разрушает крепкую скалу ударами и требует достаточного расхода воздуха для подъёма шлама; колонковое бурение поднимает непрерывный керн и остаётся единственным методом, который говорит, что вы действительно прошли. Выбор по цене, а не по породе — это как раз то, из-за чего станок оказывается не в состоянии добить скважину, под которую его покупали.
На типовом сельском или промышленном водозаборном объекте вы встретите все три эти породы в одной скважине: грунт и глина в первых 20 м, затем выветрелая скала, затем свежая скала. Грамотный ответ обычно — станок двойного назначения, поэтому в линейке есть машины, несущие и грязевой насос, и воздушный модуль.
Как каждый метод удаляет шлам?
Любой метод бурения по сути — это система удаления шлама. Долото — дешёвая часть; именно способность очищать ствол ограничивает глубину и диаметр.
Роторное бурение с промывкой. Долото режет или истирает породу, а насос прокачивает буровой раствор вниз по бурильной колонне и обратно вверх по затрубному пространству. Раствор поднимает шлам, охлаждает долото и, что важнее всего, создаёт на стенке скважины глинистую корку, которая не даёт стволу обрушиться. На станке HWDL350 двойного назначения (вода и воздух) грязевая сторона обслуживается насосами BW160, BW200 или BW250, при максимальном крутящем моменте 10 500 Н·м, номинальной мощности 58 кВт, усилии подъёма 120 кН и рабочей массе 5 800 кг.
DTH, или погружной пневмоударник. Сжатый воздух приводит поршень внутри молота на дне колонны, который бьёт прямо по долоту по породе. Воздух также выносит шлам из затрубного пространства. Поскольку молот стоит на породе, а не наверху колонны, ни одна часть энергии удара не теряется через штанги. Пневматический станок HQZ-220L покрывает скважины 130–254 мм до глубины 220 м при мачте 3 м, крутящем моменте вращения 4 000–4 600 Н·м и усилии подъёма 15 т.
Колонковое бурение. Кольцевое долото вырезает кольцо и оставляет внутри сплошной цилиндр породы, который поднимается в трубе. Гидравлический станок HWL-160 наглядно показывает компромисс: он достигает 160 м, открывает скважину до 500 мм и заканчивает на 60 мм штангами 42, 50 или 60 мм при согласованной мощности 13,2 кВт. Скважина получается куда меньше эксплуатационной водозаборной, потому что цель — керн, а не дебит.
| Порода | Метод, который работает | Что будет, если ошибиться |
|---|---|---|
| Грунт, глина, песок, гравий | Роторное бурение с промывкой | Воздушный молот не поднимает мокрую глину; скважину забивает |
| Выветрелая скала, мягкий известняк | Роторное бурение с промывкой шарошечным долотом или DTH | Работают оба, но экономика резко различается |
| Крепкая свежая скала, гранит, базальт | Молот DTH | Скорость роторного бурения падает; долота стираются за метры |
| Трещиноватая скала с пустотами | DTH с обсадкой через пустоту | Раствор уходит в пустоту и не возвращается |
| Геотехнические изыскания | Колонковое бурение | Шлам ничего не говорит о падении, трещиноватости или RQD |
| Свайные фундаменты под солнечные панели в скале | DTH на сваебойной установке | Шнеки буксуют; забивка ломает сваю |
Сколько воздуха на самом деле нужно молоту DTH?
Это тот расчёт, который решает, потянет ли ваш компрессор выбранный молот, и это самая распространённая ошибка в спецификациях на всём буровом рынке.
Воздух должен подниматься по затрубному пространству достаточно быстро, чтобы нести шлам против силы тяжести. Ориентир — примерно 15–25 м/с скорости восходящего потока. Расход тогда — просто скорость, умноженная на площадь затрубного кольца.
Разобранный пример на HQZ-220L в середине его диапазона — скважина 200 мм со штангой 89 мм.
Площадь кольца = π/4 × (0,200² − 0,089²) = 0,0252 м².
При 20 м/с расход = 0,0252 × 20 = 0,50 м³/с = 30 м³/мин.
Это попадает в верхнюю часть заявленного для этой машины диапазона 17–31 м³/мин при рабочем давлении 1,45–2,5 МПа — и это совершенно верно, потому что заявленный диапазон покрывает весь интервал диаметров 130–254 мм. Бурите скважину 130 мм — кольцо куда меньше, и её очистит меньший расход воздуха. Бурите на полные 254 мм — нужен верх диапазона.
Практическое следствие: компрессор, купленный под скважину 130 мм, не очистит скважину 250 мм, как бы ни был рассчитан молот. Потолок диаметра скважины задаёт производительность компрессора, а не спецификация молота.
Та же логика применима к грязевым насосам
У роторного бурения с промывкой то же ограничение, только по жидкости, а не по воздуху. Скорость восходящего потока в затрубном пространстве — обычно её указывают в пределах примерно 0,3–0,6 м/с — должна быть достаточной, чтобы нести шлам вверх, не давая ему осесть.
Для скважины 200 мм со штангой 76 мм площадь кольца — около 0,027 м². Чтобы держать 0,3 м/с, нужно около 480 л/мин; чтобы держать 0,6 м/с — около 960 л/мин. Насос BW160 или BW250 для больших скважин лежит ниже этой полосы, и именно поэтому в станках двойного назначения эти насосы сочетают с меньшими диаметрами и канатным колонковым бурением, а крупнодиаметровые водозаборные скважины с промывкой бурят куда более мощным насосом.
Если поставщик предлагает скважину 300 мм и насос 250 л/мин, одно из этих двух чисел неверно.
Что решает выбор между раствором и воздухом, когда работают оба?
Четыре фактора, именно в таком порядке.
Наличие воды. Роторному бурению с промывкой нужна вода — часто несколько кубометров на одну скважину, плюс отстойники для возвращаемого раствора. На удалённой площадке без водоснабжения воздух выигрывает по умолчанию, даже там, где с раствором бурилось бы быстрее.
Устойчивость ствола. Рыхлые пески и гравий требуют либо глинистой корки, которую даёт раствор, либо обсадки. Воздух не удержит несвязную стенку, а обрушившуюся скважину в гравийном водоносном горизонте дорого восстанавливать.
Глубина и диаметр. Давление воздуха должно преодолеть гидростатический столб плюс потери на трение в затрубном пространстве. Заявленная полоса 1,45–2,5 МПа на HQZ-220L — рабочий диапазон для его класса глубины; выйдите за паспортную глубину машины, и давление, необходимое для очистки ствола, начнёт расти быстрее, чем успевает давать компрессор.
Стоимость метра в той породе, которая у вас есть на самом деле. В мягких наносах роторное бурение с промывкой, как правило, даёт более дешёвый метр. В свежей крепкой скале молот DTH не просто быстрее — это разница между бурением и полированием. На сваях под солнечные панели, где твёрдость породы указывают от 6 до 20 F, в верхней части этого диапазона молот — единственный разумный инструмент.
Что отказывает на площадке и почему?
Обрушение ствола при смене обсадки. Самый дорогой отказ в бурении водозаборных скважин, и он случается, когда бурение останавливается при открытом стволе. Держите колонну в скважине или не прекращайте циркуляцию.
Заклинивание молота из-за попадания воды. Молот DTH, работающий ниже уровня воды в мокрой скважине, затягивает воду в воздушный тракт, и поршень останавливается. Проверьте, есть ли в молоте система подачи воды, прежде чем бурить мокрую скважину воздухом.
Потеря долота в зоне трещиноватости. Разрушенная порода сбрасывает обломки, которые заклинивают долото. Снизьте подачу при проходе трещины, а не увеличивайте её.
Недоразмеренный компрессор. Узнаётся по звуку — молот работает медленно и неравномерно, скважина очищается плохо, а скорость проходки падает. Это ошибка в спецификации, а не неисправность машины.
Когда каждый метод — неверная покупка?
Не покупайте станок роторного бурения с промывкой, если у вас крепкая свежая скала. Вы потратите бюджет на долота, а сроки — на машину, которая не даёт нужной скорости в этой породе.
Не покупайте станок с воздушным молотом, если у вас мягкие аллювиальные отложения и на площадке нет проблем с водой. Вы заплатите за компрессор и счёт за топливо, которых насос помог бы избежать.
Не покупайте колонковый станок в расчёте на эксплуатационную водозаборную скважину. Эти машины делают скважину 60 мм не просто так. Они отвечают на другой вопрос.
Не покупайте станок, паспортную глубину которого вы собираетесь превысить. Заявленная максимальная глубина подразумевает указанный диаметр, штангу и производительность насоса или компрессора. При большем диаметре реальная достижимая глубина падает.
Что следует оговорить перед заказом?
Дайте поставщику четыре факта и попросите в ответ две цифры. Факты: последовательность пород с примерными глубинами, целевой конечный диаметр, целевая глубина и есть ли на площадке вода. Цифры, которые вы хотите получить в ответ: расход воздуха или жидкости, необходимый для очистки ствола при вашем целевом диаметре, и модель компрессора или насоса, которая его обеспечивает.
Каждая буровая машина, которая не показала результат, была куплена под породу, которой продавец никогда не видел. Закройте этот разрыв до заказа, а не после.
Часто задаваемые вопросы
Может ли один станок бурить и с промывкой, и DTH? Да — именно это и означает обозначение «двойного назначения». HWDL350 покрывает Ø75–350 мм и несёт грязевой насос для мягких интервалов и воздух для скалы. Такие станки дороже машины на один метод и окупают свою цену на объекте со смешанной породой.
Какой самый малый компрессор можно использовать для скважины 200 мм? Посчитайте: около 30 м³/мин при скорости восходящего потока 20 м/с для скважины 200 мм со штангой 89 мм. Всё, что ниже примерно 25 м³/мин, будет бурить и очищать плохо.
Бурит ли более крупный молот быстрее? В подходящей породе да — до того момента, когда подачи воздуха перестаёт хватать на очистку шлама, который производит более крупный молот. После этого проходка падает, а долото изнашивается быстрее.
Как не дать скважине обрушиться в песке? Раствор с правильной вязкостью и глинистой коркой при бурении с промывкой, либо обсадка. При бурении воздухом по песку — никак: смените метод на этом интервале.
Почему у станков указывают несколько диаметров штанг? Потому что штанга должна соответствовать скважине и долоту. HQZ-220L принимает штанги 76 или 89 мм длиной 1,5, 2,0 и 3,0 м; меньшая штанга — для меньших скважин и меньших глубин, где масса тяжёлой колонны ничего не добавит.
Следующий шаг
Сначала составьте разрез по породам — пусть даже примерный, — затем выберите метод, затем выберите станок, который даёт тот расход воздуха или жидкости, который этому методу нужен при вашем диаметре. Именно такой порядок отличает станок, который добивает скважину, от станка, который стоит на площадке и ждёт компрессор.
Пришлите последовательность пород, целевой диаметр и глубину и скажите, есть ли вода, — и мы порекомендуем станок и подходящий к нему компрессор или насос. Загляните в разделы буровые установки для водозаборных скважин или молоты DTH и колонковые станки за полными таблицами характеристик.