Трубчатые колодцы [1987 Шепелев А.И. - Как построить сельский дом]

Трубчатые (буровые) колодцы (рис. 20) состоят из скважины, которую выполняют путем вращательного или ударного бурения, что зависит от породы (грунта). Лучше всего такие колодцы заглублять в породу на глубину не менее 10 м.

Рис. 20. Трубчатые колодцы: а - копер и его детали: 1 - ноги копра; 2 - штанга; 3 - верхний узел копра; б - бурение способом долбления при помощи копра: 1 - балансир (рычаг); 2 - канат; 3 - штанга; в - извлечение труб при помощи рычагов: 1 - козелок; 2 - рычаги; 3 - хомут; 4 - труба; г - канатная петля для свертывания или развертывания труб; д - хомуты для вращения труб: 1 - деревянный; 2 - стальной; е - буровой инструмент: 1 - буровые ложки; 2 - змеевик; 3 - зубильное долото; 4 - пирамидальное долото; 5 - желонка; 6 - фильтр; (1 - труба с отверстиями; 2 - проволочная обмотка; 3 - сетка; 7 - башмаки зубчатый и гладкий; 8 - ветлюга; ж - абиссинский колодец: 1 - наконечник фильтра; 2 - фильтр; 3 - муфта; 4 -трубка; 5 - зажим; 6 - баба; 7 - веревка; 8 - блок; з - штанговый насос (схема); 1 - насосный цилиндр; 2 - водонапорная труба; 3 - стальной хомут; 4 - сальник; 5 - шток; 6 - балансир или шатун; 7 - штанга; 8 - поршень; 9 - клапан в поршне; 10 - клапан в насосном цилиндре; и - поршневой насос; 1 - фильтр; 2 - всасывающая труба; 3 - цилиндр; 4 - поршень; 5 - клапан; 6 - нагнетательная труба; 7 - поршень вверху цилиндра; 8 - всасывающий клапан цилиндра

Для сооружения трубчатых колодцев необходимы трубы и специальный буровой инструмент. Строят буровые колодцы гораздо быстрее шахтных, т. е. за 5-7 дней, при глубине бурения до 20 м на устройство шахтного колодца такой глубины требуется 30-60 дней. Кроме этого, по стоимости они в 4-5 раз дешевле шахтных. Буровые колодцы закрывают с наружной стороны. Воду из них подают насосами, что более гигиенично по сравнению с подъемом воды бадьей или ведром.

Оборудование для строительства трубчатых колодцев

Для оборудования трубчатых колодцев необходимы копер (тренога или вышка), инструменты, трубы, фильтры и т. д. (см. рис. 20).

Рис. 20. Трубчатые колодцы: '-oкопер и его детали: 1 - ноги копра; 2 - штанга; 3 - верхний узел копра; б - бурение способом долбления при помощи копра: 1 - балансир (рычаг); 2 - канат; 3 - штанга; в - извлечение труб при помощи рычагов: 1 - козелок; 2 - рычаги; 3 - хомут; 4 - труба; г - канатная петля для свертывания или развертывания труб; д - хомуты для вращения труб: 1 - деревянный; 2 - стальной; е - буровой инструмент: 1 - буровые ложки; 2 - змеевик; 3 - зубильное долото; 4 - пирамидальное долото; 5 - желонка; 6 - фильтр; (1 - труба с отверстиями; 2 - проволочная обмотка; 3 - сетка; 7 - башмаки зубчатый и гладкий; 8 - ветлюга; ж - абиссинский колодец: 1 - наконечник фильтра; 2 - фильтр; 3 - муфта; 4 - трубка; 5 - зажим; 6 - баба; 7 - веревка; 8 - блок; з - штанговый насос (схема); 1 - насосный цилиндр; 2 - водонапорная труба; 3 - стальной хомут; 4 - сальник; 5 - шток; 6 - балансир или шатун; 7 - штанга; 8 - поршень; 9 - клапан в поршне; 10 - клапан в насосном цилиндре; 11 - поршневой насос; 1 - фильтр; 2 - всасывающая труба; 3 - цилиндр; 4 - поршень; 5 - клапан; 6 - нагнетательная труба; 7 - поршень вверху цилиндра; 8 - всасывающий клапан цилиндра

Рис. 20. Трубчатые колодцы: а - копер и его детали: 1 - ноги копра; 2 - штанга; 3 - верхний узел копра; б - бурение способом долбления при помощи копра: 1 - балансир (рычаг); 2 - канат; 3 - штанга; в - извлечение труб при помощи рычагов: 1 - козелок; 2 - рычаги; 3 - хомут; 4 - труба; г - канатная петля для свертывания или развертывания труб; д - хомуты для вращения труб: 1 - деревянный; 2 - стальной; е - буровой инструмент: 1 - буровые ложки; 2 - змеевик; 3 - зубильное долото; 4 - пирамидальное долото; 5 - желонка; 6 - фильтр; (1 - труба с отверстиями; 2 - проволочная обмотка; 3 - сетка; 7 - башмаки зубчатый и гладкий; 8 - ветлюга; ж - абиссинский колодец: 1 - наконечник фильтра; 2 - фильтр; 3 - муфта; 4 - трубка; 5 - зажим; 6 - баба; 7 - веревка; 8 - блок; з - штанговый насос (схема); 1 - насосный цилиндр; 2 - водонапорная труба; 3 - стальной хомут; 4 - сальник; 5 - шток; 6 - балансир или шатун; 7 - штанга; 8 - поршень; 9 - клапан в поршне; 10 - клапан в насосном цилиндре; 11 - поршневой насос; 1 - фильтр; 2 - всасывающая труба; 3 - цилиндр; 4 - поршень; 5 - клапан; 6 - нагнетательная труба; 7 - поршень вверху цилиндра; 8 - всасывающий клапан цилиндра

Копры, треноги или вышки состоят из трех бревен диаметром от 13 до 18 см в тонком конце (в отрезе), длиной 8-9 м. Бревна должны быть прямыми и без сучков. Для скважин большого диаметра копер можно изготовить из четырех ног. Расстояние между ногами берут не менее 2 м. Концы ног заглубляют в землю.

Высота копра в основном зависит от длины обсадных труб, глубины бурения и т. д. Вверху тонкие концы копра скрепляют шкворнем с головкой и гайкой диаметром не менее 35 мм. К шкворню крепят серьгу для канатного однороликового блока.

На высоте 2,5-3 м от земли на поперечинах треноги делают настил из 50-60-миллиметровых досок, на которых во время бурения могут находиться рабочие. Вместо настила можно крепить длинными гвоздями или скобами перекладины для подъема рабочих к верху треноги. Между двумя ногами копра крепят ворот, который необходим для подъема и опускания труб и штанг.

Для подъема труб, сильно удерживаемых породой, применяют балансиры, т. е. рычаги с прикрепленным к ним через блок буровым канатом. Балансир можно также использовать при ударном бурении.

Поднимать или просто отрывать от породы трубы рекомендуется двумя или тремя рычагами, подставляя под них козелки. На трубе для упора рычагов крепят хомут. Переставляя хомут, поднимают трубу.

Хомуты бывают стальные и деревянные. Их применяют для вращения, посадки и подъема обсадных труб и штанг.

Стальные изготовляют из полосовой стали, деревянные - из древесины твердых пород без сучков, диаметром 180-250 мм, длиной 2,5-3 м. На толстых концах древесины делают выемки для труб. Стягивают половинки хомутов двумя или четырьмя массивными болтами, желательно с ленточной резьбой и гайками с барашками.

Для свинчивания и развинчивания труб (т. е. колонны из труб) применяют цепные ключи разных размеров. Когда ключей нет, используют канатную петлю, которую навивают на трубы пятью-шестью витками. На трубах устраивают две канатные петли: одну - для удержания одной трубы, другую - для вращения другой. Устраивают петлю так. Берут конец каната или тонкого троса длиной 2-3 м, наматывают двумя витками вокруг трубы. Затем один конец спускают вниз вдоль трубы на 500-800 мм. Верхний конец каната наматывают на трубу и делают пять-шесть нисходящих витков по концу, опущенному вдоль трубы. В петлю просовывают лом или вагу (брусок или древесный ствол длиной 2-3 м). При нажиме на них петля начинает затягиваться, туго прижимая витки к трубе, и трубу вращают в нужную сторону. Вторая петля удерживает вторую трубу колонны, которая состоит из двух или нескольких труб.

Кроме того, нужно использовать подкладные вилки, крюки, ветлюги для подвешивания труб или штанг, хомуты и т. д.

Буровой инструмент имеет разные названия, диаметр, длину и массу, применяют его для бурения различных пород. Весь буровой инструмент имеет верхнюю головку с конусной резьбой, которую легко завертывать.

Буровые ложки используют для бурения скважин преимущественно в устойчивых легких породах: чистых влажных песках; глинистых песках; песках с мелким гравием; суглинках и песчанистых глинах. Чаще всего применяют ложки с лезвием и змеевиком (пустотелый стальной цилиндр с головкой, резьбой, продольной прорезью по длине цилиндра).

Ложку изготовляют из листовой стали или стальных труб и обязательно закаливают. Корпуса ложек бывают диаметром 70, 102, 140, 198 мм, длиной 700-750 мм. Предназначены для обсадных труб с внутренним диаметром 78, 115, 155, 205 мм.

Змеевик (спиральный бур) применяют для бурения скважин в глинах и суглинках с содержанием некоторого количества гравия. Состоит из головки с конусообразной резьбой и нескольких спиральных витков, оканчивающихся в нижней части лезвием. Шаг спирали равен диаметру змеевика. Закаливают змеевик на высоту спирали. Изготовляют из полосовой стали нужной марки и вязкости. Полосу нагревают до белого каления, зажимают в тиски и завивают при помощи ключа. Изготовляют змеевик цельнокованым. Сварка не допускается. Змеевики бывают диаметром 70, 104, 140 мм, длиной соответственно 650, 700, 820 мм.

Долота применяют для ударного бурения в твердых породах. Бывают разного вида и названий: зубильные, пирамидальные, плоские, крестовые и др. Они состоят из лопасти, шейки, конусной резьбы. Нижнюю кромку называют лезвием. Выковывают из цельного куска крепкой стали и закаливают. Во время работы для округления ствола скважины долота необходимо поворачивать на угол 15-20° после каждого удара. Зубильное долото имеет нижнее основание размером 45, 60, 75, 85 мм, длину лезвия 258, 260, 290 мм.

Желонки бывают разных типов. Широко распространены простые и поршневые. Служат главным образом для извлечения из скважины ударным способом пробуренной породы, а также для бурения сыпучих и рыхлых пород. Корпус желонок изготовляют из обсадной или газовой трубы длиной 2-3 м. Вверху имеется резьба и вилка для крепления к канату, внизу - стальной башмак с клапаном. Нижнюю часть башмака делают острой, диаметром на 4-6 мм больше наружного диаметра корпуса желонки.

Простая желонка имеет клапан в виде стального диска или шарика. Желонки бывают с наружным диаметром корпуса 89, 95, 127, 168, 219 мм, соответственно массой 25, 30, 47, 64, 96 кг. Они предназначены для работы в обсадных трубах с внутренним диаметром 104, 115, 155, 205, 225 мм.

Буровые ложки, змеевики и желонки необходимо изготовлять определенной длины. Это объясняется тем, что в процессе бурения операции чередуются: опускают инструмент, бурят и извлекают его из скважины, очищают от породы, обратно вставляют, бурят, извлекают, очищают и т. д. Это отнимает много времени. При коротких инструментах время, затрачиваемое на выполнение операции, увеличивается в 2-3 раза.

Фильтры применяют для фильтрования воды, поступающей к насосу. Они бывают разных конструкций и длины. Изготовляют из меди или нержавеющих материалов, гравия и т. д.

Дырчатый фильтр без сетки - стальная перфорированная труба с круглыми отверстиями диаметром 10-20 мм, просверленными в шахматном порядке, общая площадь фильтра должна составлять примерно 20-25% от общей поверхности трубы. Устанавливают в неустойчивых скальных или крупноблочных рыхлых породах. Трубы берут диаметром 76, 102, 152 мм, соответственно с отверстиями диаметром 12, 16, 18 мм, с расстоянием между ними 30, 35, 40 мм.

Стальной щелевой фильтр - стальная труба, на которой прорезают в шахматном порядке прямоугольные отверстия (щели) 1 шириной от 1,5 до 3 мм, длиной от 26 до 100 мм.

Фильтр с проволочной обмоткой - перфорированная труба с приваренной по длине опорной проволокой диаметром 3-4 мм, на которую навивают стальную проволоку толщиной от 1,5 до 2 мм так, чтобы между витками не было просветов. Все крепят сваркой. Таким образом между трубой и обмоткой остается пространство, равное толщине опорной проволоки.

Сетчатый фильтр - перфорированная труба с опорной латунной проволокой диаметром 2,5-3 мм, поверх которой закрепляют сетку. Опорную проволоку навивают на трубку по спирали через 15-30 мм виток от витка. Все крепят отдельными точками чеканкой. Сетка из красной меди бывает с отверстиями от 0,10 до 0,50 мм, ходовой размер - 0,25 мм. Отверстия должны быть в 2 раза меньше диаметра песчинок.

Длина и толщина фильтров разные. Применяют для различных песков, кроме однородных мелкозернистых и глинистых.

Гравийные фильтры различают двух типов. Первый - засыпают гравий в скважину после ее устройства, второй - опускают дырчатую трубу или сетчатый фильтр, которые по мере подъема обсадных труб обсыпаются зерном. Зерно гравия берут в 10-12 раз крупнее диаметра водоносного песка.

Диаметр фильтров берут таким, чтобы они могли свободно опускаться в обсадную трубу или пробуренную скважину без обсадной трубы.

Штанги - стальные трубы особого проката с утолщенными стенками вообще и особенно на концах. Соединяют между собой стальными муфтами. К штангам крепят инструмент для выполнения вращательного или ударного бурения. Трубы должны быть очень прочными на сжатие, растяжение, скручивание. Нормальная длина штанг - 3 м, но бывают короткие штанги длиной 1, 1,5, 2 м. Штанги, соединенные вместе, называются колонной.

При начальной стадии бурения (забуривание) скважины короткие трубы весьма удобны.

Для бурения небольших по диаметру скважин глубиной до 30 м можно применять обычные стальные газовые трубы или водопроводные, которые скрепляют между собой в колонны, лучше всего не обычными, а стальными муфтами. Длина муфт должна равняться двойному диаметру трубы. Обычные муфты малопригодны.

Можно применять стальные прутки квадратного или круглого сечения, а также стволы молодых деревьев (дуб, ясень, ель, лиственницу), но только для ударного бурения с предварительным укреплением концов сталью.

Штангу ударную изготовляют из мягкой стали и применяют для увеличения массы инструмента. Имеет внутреннюю резьбу для закрепления инструмента. Длина штанги - 2-2,5 м, масса - до 200 кг.

Обсадные трубы для среднего и глубокого бурения изготовляют из различной по качеству стали, они должны быть совершенно ровными и без вмятин. Служат для предотвращения обвалов стенок скважины при проходе в неустойчивых породах, а также для изоляции водоносных горизонтов с непригодной для употребления водой.

Применяют для ударного и вращательного бурения. Соединяют между собой стальными муфтами.

При забуривании труб в породу применяют башмаки, выполненные в виде муфт с нижней зубчатой или гладкой режущей кромкой.

Зубчатый башмак применяют для вращательного бурения твердых пород. Его внутренний диаметр должен равняться внутреннему диаметру трубы, а наружный быть на 3-5 мм больше наружного диаметра муфт тех же труб; зубцы отгибают наружу на такую же величину.

Гладкий башмак похож на зубчатый, только нижняя режущая кромка его имеет форму клина. Трубу с таким башмаком осаживают ударами деревянной колотушки по забивной головке, навернутой на верхний конец обсадной трубы.

При бурении треногой необходимо иметь ветлюгу - стальной стержень с нарезкой по калибру штанг или обсадных труб и с серьгой для подъема.?

Бурение скважины

Прежде чем приступить к бурению, необходимо узнать характер породы (грунта) и в соответствии с ним приготовить инструмент.

При штанговом ударно-вращательном ручном бурении скважины глубиной до 20 м и диаметром до 76 мм работу можно вести без треноги. Однако с треногой удобнее. Работу могут выполнять три-четыре человека.

Техника бурения состоит в том, что прежде всего роют шурф, опускают в него инструмент, бурят, вынимают или извлекают колонну с инструментом при помощи лебедки или ворота. Очередную штангу наращивают тогда, когда конец предыдущей находится выше уровня земли не более 1 м. В процессе бурения через каждые 500-700 мм углубления инструмента в породу его извлекают для очистки. Таким образом бурят скважину до конца и, если требуется, ставят обсадные трубы.

Когда мелкое бурение скважины выполняют без треноги, то удобнее применять короткие штанги длиной 1, 1,5 и 2 м.

При бурении штангу с инструментом или обсадную трубу направляют в скважину строго вертикально. Первую стадию бурения называют забуриванием. При этом обычно двое вращают бур, а третий проверяет веском его вертикальность.

Проще и удобнее поступать так. На месте бурения роют шурф 1,5 X 1,5 м глубиной 2-3 м или глубже. Стенки шурфа укрепляют досками. На его дно кладут две прочные подкладки и прочно закрепляют их кольями. На подкладки кладут две - четыре толстые 50-60-миллиметровые доски и крепят их длинными гвоздями. Над шурфом делают то же самое и настилают пол из таких же досок.

Если устанавливают треногу, то через ее блок пропускают весок, находят точку центра на полу и прорезают круглое отверстие, равное наружному диаметру муфт штанги или башмака обсадной трубы, если ее ставят в первую очередь. Веском находят центр или точку на досках, уложенных на дне шурфа, и прорезают точно такое же отверстие. Так как доски хорошо укреплены, то поставленная в отверстие штанга или обсадная труба будет находиться строго вертикально и способствовать бурению вертикальной скважины.

В устойчивой породе скважину можно пробурить на всю глубину без обсадки или на всю длину обсадной трубы.

В неустойчивых породах сначала пробуривают начальную скважину глубиной 1 м или больше (это лучше), опускают туда обсадную трубу с башмаком, завертывая или забивая ее. Для завертывания на трубе крепят хомут на высоте 1-1,5 м от поверхности земли. Бурение выполняют небольшими толчками, вращая трубу или бур по ходу часовой стрелки. Башмак обрезает скважину, что способствует опусканию трубы. Если от обычных толчков обсадная труба не опускается, то ее сначала вращают против часовой стрелки, затем по ее ходу. По мере заполнения скважины породой прекращается осадка трубы. Скважину приходится очищать от породы желонкой.

Вращая штангу с инструментом или обсадную трубу, рабочие не ходят вокруг нее, а передают рукоятки шарнирного хомута друг другу. Не рекомендуется для облегчения вращения удлинять концы хомутов. Это может привести к скручиванию труб.

В зависимости от качества грунта часто первую обсадную трубу не завертывают, а забивают.

В дальнейшем буровым инструментом работают внутри обсадных труб, чередуя операции; сначала бурят, затем извлекают инструмент, очищают его от породы, потом вставляют в трубу, бурят, извлекают, очищают от породы и т. д.

До забуривания на штанге делают отметку мелом на высоте 500-700 мм от настила. Бурение прекращают, когда отметка вплотную приблизится к настилу. Затем инструмент вынимают со штангой из скважины, очищают от породы, вставляют обратно в скважину, делают отметку мелом, и процесс повторяют. По мере углубления инструмента в породу хомут переставляют так, чтобы он был от настила на высоте 1 -1,5 м. Наращивают штанги по мере необходимости.

При бурении сухих пород ложками или змеевиками перед спуском инструмента в скважину вливают по 1 л воды на каждый прием. Вода как бы смазывает и облегчает вращение инструмента в скважине.

При ударном бурении после каждого удара инструмент надо поворачивать на ¹/₈-¹/₁₀ его окружности. Это необходимо для получения круглой скважины. Долото над забоем поднимают в зависимости от породы в среднем на 300-500 мм. Масса инструмента должна быть равной 1-2 кг на 1 линейный миллиметр лезвия плоского долота.

Бурение в разных породах

В песках, сухих и влажных, бурение выполняют желонкой и ложкой. Водоносные и чистые сухие пески проходят желонкой, немного добавляя в скважину глины и воды. Когда песок трамбуется и не захватывается желонкой, переходят на долото. Работу в обсадных трубах ведут, пока они не войдут в нижележащие водоупорные породы.

Бур не должен входить при этом в песок ниже башмака обсадной трубы более чем на половину длины инструмента. Это предупреждает породы от обвала.

В песках-плывунах бурение выполняют ударным способом желонкой с одновременной обсадкой труб. Желонку берут длиною, с хорошо пригнанным клапаном.

В галечниках и гравийных породах бурение выполняют долотами и желонками с клапанами. Работают поочередно то долотом, то желонкой. По мере углубления в скважину устанавливают обсадные трубы.

В глинистых породах, твердых и вязких, бурят долотом и желонкой, можно одной желонкой без клапана или буровой ложкой и змеевиком. Породу за один прием рыхлят на глубину 500-700 мм, затем инструмент поднимают, опускают желонку и удаляют породу. Бурение можно вести без обсадных труб. В случае осыпания породы ставят обсадные трубы.

В сухую глину добавляют воду из расчета два-три ведра после каждого извлечения инструмента. Мягкую вязкую породу выбирают желонкой без клапана или же снимают с нее башмак. Такие породы можно бурить змеевиком, но после нескольких оборотов инструмент необходимо поднимать на 100-150 мм, а затем опускать обратно. Пробурив 400-700 мм, инструмент извлекают и очищают от породы. Перед каждым опусканием в скважину добавляют воду.

В глиняных породах с галькой и валунами диаметр скважины должен быть 150-200 мм. Долбление выполняют пирамидальными долотами. Раздробленную породу извлекают желонкой. Обсадные трубы ставят обязательно. Инструментом малого диаметра бурить такие породы практически невозможно.

Рассмотрим извлечение из скважин стальных обсадных труб, а также спуск и обнажение фильтра.

В зависимости от породы приходится частично или полностью извлекать из скважины стальные обсадные трубы, особенно после установки фильтра и его обнажения. До установки фильтра забой хорошо очищают желонкой. Измеряют глубину скважины от настила до забоя. Фильтр опускают на колонне штанг или водоподъемных труб. Обнажают его на общую высоту отстойника фильтра, поднимая обсадные трубы. Фильтр должен опускаться свободно, без вращения. Поскольку фильтр, и особенно башмак обсадной колонны, уже трубы, то между фильтром и башмаком остается пространство, которое рекомендуется заполнять однородным чистым крупным песком или мелким гравием. По ходу засыпки обсадные трубы поднимают на высоту фильтра. Засыпка дополнительно фильтрует воду.

От времени фильтр может засориться, и его приходится промывать, извлекая из скважины или обсадных труб.

Подъем воды из скважины

Воду поднимают ручными или электрическими насосами, различными по конструкции и высоте подъема. Из ручных широко распространены штанговые и поршневые насосы.

Штанговый насос (см. рис. 20) состоит из насосного цилиндра, колонны подъемных труб, комплекта штанг, надземного ручного или машинного приводного механизма.

Поршневой насос (см. рис. 20) состоит из цилиндра, поршня (плунжера), нагнетательного и всасывающего клапанов.