Несмотря на развитое к настоящему времени коммунальное водоснабжение скважины на воду сохраняют актуальность. Это обусловлено, прежде всего, востребованностью собственных источников водоснабжения на приусадебных участках.
Открытые водоемы, во-первых, распространены не повсеместно, во-вторых, подходят далеко не для всех целей по экологическим показателям. Разработка скважин на воду осуществляются различным буровым оборудованием в зависимости от глубины и геолого-гидрогеологических условий: создание глубоких вариантов требует применения тяжелых установок, в то время как для бурения бытовых выработок достаточно простейших устройств с ручным приводом.
Типы скважин
Выделяют несколько типов скважин на воду. В качестве критериев используют глубину и тип водоносного горизонта.
Абиссинский колодец. Неглубокая скважина (5-10 м). Создается путем ударно-канатного либо вращательного бурения. Обсадная колонна представлена перфорированной трубой. Забор воды осуществляется из верхнего водоносного горизонта насосом или помпой на устье. Такие скважины весьма распространены благодаря обширному использованию на приусадебных участках. Они характеризуются простотой, дешевизной и быстротой создания, компактной устьевой частью, долговечностью. Эксплуатационный срок определяется естественными факторами (глубина залегания водоносного горизонта, состав грунтовых вод) и используемым оборудованием и может составлять более 30 лет. Производительность зависит от нагнетательного оборудования и (малозначимо) от диаметра трубы. Такие скважины актуальны для условий залегания водоносного горизонта на глубине до 9 м.
Шахтный колодец. Скважина глубиной 25-30 м с большим диаметром (0,7-1,5 м). Такие выработки также широко распространены в качестве бытовых источников водоснабжения на приусадебных участках. Возможно создание ручным и механическим способами. Обсадную колонну традиционно формируют из деревянных колец, но к настоящему времени распространение получили асбестовые, железобетонные и бетонные аналоги. При небольшой водоносности пласта ее расширяют на забое. На поверхности колонна возвышается на 1 м. Ее изолируют и накрывают крышкой для предотвращения попадания дождевой воды в колодец. Во избежание замутнения воды дно покрывают слоем щебня или песка. Для добычи воды используют электрические насосы или ручные приспособления.
Скважина на мелкий (первый) песок (фильтровая). Выработка глубиной 10-35 м. Отличается от вышеприведенных колодцев использованием погружного насоса, что обуславливает больший диаметр (125-150 мм).
Скважина на глубокий песок (меловая). Отличается от варианта на мелкий песок большей глубиной, конструкцией, технологией создания. Названные отличия обуславливает значительно большую стоимость. Такая технология актуальна для условий залегания первого песчаного водоносного горизонта на большой глубине (более 40 м). В скважинах на глубокий песок используют 2 типа обсадных колонн: фильтровый и на каверну. Первый предполагает использование перфорированных участков. Такая конструкция характеризуется надежностью и относительно невысокой производительностью. Второй вариант имеет открытый нижний торец и размытое пространство под ним для притока воды. Он отличается меньшей надежностью, большими производительностью и долговечностью. По материалу применяют трубы из стали и пластика (ПВХ, ПНД). Наконец, может использоваться одно- или двухтрубная компоновка обсадной колонны.
Недостаток скважин на песок состоит в сложности достижения результата работ при отсутствии сведений о залегании водоносных горизонтов на данной территории. Следовательно, необходимо знание исполнителем гидрогеологического особенностей района. Основная задача состоит в попадании забоем в водоносную линзу достаточной мощности. Ситуация с вариантами на глубокий песок еще сложнее: нужно выбирать оборудование с учетом повышенной вероятности встречи в процессе бурения прослоев высокой прочности, плывунов, пустот и т. д. обычно для их создания используют тяжелые буровые установки на мобильных шасси. К тому же ведение работ осложняется необходимостью индивидуального подхода к обустройству каждой скважины. Это объясняется возможностью самоизлива, малой водоносности пласта и т. д. Поэтому к обустройству переходят по результатам запуска скважины в эксплуатацию. Ввиду большой глубины, определяющей затраты материалов и требования к нагнетательному оборудованию, работы весьма затратны. Долговечность таких скважин определяется гранулометрическим составом водоносной линзы и регулярностью эксплуатации (чем чаще – тем больше). Что касается гранулометрического состава – наименее долговечны скважины в линзах из тонкодисперсного песка, предпочтительны слои из щебня, гравия, ракушечника или хотя бы крупного песка. Эксплуатационный срок скважин на песок составляет 5-15 лет. То есть они уступают по этому параметру колодцам. Стоимость их создания вариантов на мелкий песок также невысока. Для определения потенциальных возможностей использования воды необходимо проведение анализов – ввиду того, что она имеет осадочное происхождение, состав сильно зависит от техногенной нагрузки территории, особенно почв. Производительность составляет 0,14-0,33 л/с.
Артезианская скважина (на известняк). Это самый глубокий тип скважин на воду (60-250 м), нацеленный на достижение напорного водоносного слоя. Выделяют несколько схем, применяемых в зависимости от условий бурения и эксплуатации. Для идеальных условий (хорошее давление, отсутствие глиняных и песчаных слоев в известковом) подходит классическая. При проблемах с проходом верхних горизонтов применяют близкую к ней схему с кондуктором. На условия распространения труднопроходимых пластов на разных глубинах рассчитана телескопическая технология. Проблемы со слабым давлением и присутствием в известковом горизонте глиняных и песчаных решают методикой с двойной обсадкой. Бурение осуществляют вращательным методом с промывкой. Обсадную колонну формируют из стальных труб с уменьшающимся с глубиной диаметром и герметизируют, бетонируя затрубное пространство. Внутри обсадной колонны размещают эксплуатационную из полимерных материалов. На устье устанавливают колодец или кессон. Для забора воды используется глубинный погружной насос. Для бурения необходимо разрешение, а скважина подлежит лицензированию.
Методы бурения
Бурение скважин на воду осуществляют механическим и немеханическим методами.
В первом случае используют породоразрушающее оборудование. Сюда входит 2 метода: ударный и вращательный. В некоторых случаях их комбинируют для повышения эффективности.
Немеханический метод подразумевает бесконтактное воздействие на породы, например, термическое или взрывное. К нему приходят крайне редко.
Технологии бурения
По используемому оборудованию и принципу его работы выделяют ряд технологий механического бурения скважин.
Ударно-канатная. Простейшая традиционная технология. Буровая установка представлена треногой с подвешенным на лебедке породоразрушающим инструментом в виде забивного стакана, желонки или шарошечного долота в зависимости от целевого типа грунта. Исключает использование растворов, что позволяет создавать скважины точно заданных размеров и глубины. Это обеспечивает их долговечность (до 50 лет). Для корректной установки обсадной колонны требуется соблюдение вертикальности водного источника. Это традиционная, ранняя технология. Уступает более современным по соотношению затрат труда и производительности.
Канатно-вращательная. Осуществляется с применением переносных буровых установок, основной функциональный элемент которых представлен полой штангой с долотом в виде забурника. Извлечение породы осуществляется промывкой. Эта технология подходит для бурения скважин на песок в труднодоступных местах глубиной до 50 м. Более мощные варианты буровых установок рассчитаны на артезианские скважины.
Шнековая. Состоит в применении одноименного породоразрушающего инструмента, представляющего собой несущую трубу с винтовой лентой на внешней поверхности (ребордой). Порода извлекается при обратном ходе. Привод – электрический или ручной. Наиболее распространена. Актуальна для пород малой, меньше – средней твердости. Позволяет создавать скважины глубиной до 80 м.
Роторная. Подразумевает применение тяжелых буровых установок вращательного типа на самоходных шасси или стационарных основаниях. Роторный привод передает вращение долоту через бурильную колонну. Работы состоят в постепенном снижении диаметра породоразрушающего инструмента с глубиной. Актуальна для условий глубокого залегания водоносного горизонта – бурения артезианских скважин. Это наиболее сложный и производительный метод.
Колонковая. Подразумевает применение кольцевидного бура, осуществляющего разрушение пород по окружности колонны, и удаление грунта в центре жидкостью под давлением. Это оборудование также размещается на тяжелых стационарных основаниях или самоходных шасси. Весьма распространена, особенно при работах в мягких грунтах, хотя возможно использование и в твердых породах с алмазным буром.
По принципу функционирования эти технологии можно подразделить на вращательные и ударные. Как видно, первые преобладают.
Буровое оборудование
В бурении скважин на воду применяют как сложные комплексные установки, так и легкие ручные инструменты. Первые представлены в данной сфере преимущественно установками на самоходных шасси. Исключение – установки ударно-канатного бурения. Тип бурового оборудования определяется глубиной скважины и геолого-гидрогеологическими особенностями территории. Ввиду преобладания неглубоких бытовых скважин, в отличие от сферы бурения на углеводороды, здесь наиболее распространены компактные установки.
Буровые установки для создания скважин на воду можно подразделить на мелко- и крупногабаритные.
Первые представлены легкими, мобильными агрегатами в различных вариантах конструкции и привода. Простейшие модели включают разборный станок и рассчитаны на бурение глубиной до 70 м. В более тяжелых вариантах станки устанавливают на колесный ход либо монтируют на грузовых шасси. Такие модели подходят для бурения на глубину до 150 м.
Крупногабаритные установки способны создавать скважины глубиной до 300 м. Встречаются в вариантах шнека, с продувкой, с промывкой. Это более тяжелые и производительные агрегаты, монтируемые на грузовые шасси.
Наиболее распространены следующие типы установок:
Малогабаритные ударно-канатные;
Шнековые без промывки;
Роторные с промывкой.
Наиболее сложное оборудование используется в бурении артезианских скважин.
