- -
- 100%
- +
Для бурения пород рыхлых, сыпучих, обломочных (пески, гравий, галечник, ил), пород, наполненных водой, а также для чистки скважины после работы долотом применяют инструмент, называемый желонкой. Последняя представляет собой: отрезок трубы длиной 2–3 м, иногда до 4 м, снабженной внизу башмаком с клапаном, а вверху – устройством для соединения со штангами (рис. 24). Клапан обычно делается плоским из стальной пластины с уплотнением резиной, кожей или без него. В желонках небольшого диаметра применяют шариковый клапан. При сбрасывании в забой башмак желонки врезается в породу, которая приподнимает клапан и входит в трубу. Когда желонку поднимают, клапан закрывается и удерживает набранную породу. После заполнения породой желонку извлекают на поверхность и очищают, поворачивая ее для этого вверх клапаном с помощью специального устройства, позволяющего не отсоединять желонку от штанги. Бурильщику, который впервые «изобретает» желонку из случайных материалов, порекомендуем не гнаться за производительностью и сделать общую высоту желонки поменьше, скажем, около 1 м, и с боковым окном (рис. 25), чтобы можно было рукой дотянуться до клапана. Через это окно можно ее и чистить не переворачивая. Косынки и конус в верхней части желонки предназначены для того, чтобы при подъеме не зацепить желонку за обсадную трубу.
Рис. 25. Самодельная желонка: 1 – ударная штанга; 2 – окно; 3 – клапан; 4 – башмак
В качестве буровых штанг для неглубокого бурения (до 25 м) вполне достаточными по прочности являются газовые трубы внутренним диаметром 33 мм (применяют также трубы диаметром 42 и 48 мм). Длина труб отдельных звеньев штанги – 5 м. Отбирая трубы для штанг, надо внимательно осмотреть сварные швы. Если швы плохо проварены, то во время бурения при скручивающих нагрузках они легко расходятся.
Обычные водопроводные или газовые муфты для соединения штанг нежелательны из-за недостаточных прочности и длины. Для соединения буровых штанг лучше изготовить специальные муфты большей длины, бочкообразной формы и с гладкими концевыми внутренними проточками, в которые концы свинчиваемых штанг должны плотно заходить своими ненарезанными частями (рис. 26). Последнее делается для того, чтобы уменьшить опасные изгибающие нагрузки в концевых сечениях штанг, ослабленных резьбой. Конечно, намного ускоряет процесс соединения-разъединения штанг коническая резьба. Однако сделать такую резьбу очень трудно, и если, что скорее всего, придется ограничиться цилиндрической резьбой, то нарезать ее на штангах надо на токарном станке или клуппом с направляющей втулкой, чтобы избежать перекоса резьбы. Штанги с перекошенной резьбой при свинчивании будут располагаться не соосно, что чревато большими неприятностями, поскольку приводит к вихлянию всей буровой колонны, особенно заметному при ее длине более 10 м.
Рис. 26. Муфта
В самодеятельном бурении применяют и другие способы соединения штанг: на фланцах, штифтами с помощью соединительных втулок или патрубков из труб меньшего диаметра. Однако оба эти способа не позволяют добиться надежного и соосного соединения штанг вследствие небольших погрешностей в установке фланцев на сварке и люфта во втулках. А устранить эти дефекты практически невозможно.
При подъеме и спуске штанг в скважину их развинчивают не по одному звену (колену), а по два или по три – «столбами», или «свечами». «Столбы» нельзя класть на землю, так как при подъеме с земли они гнутся. Их надо удерживать в вертикальном положении, прислонив к надежной опоре. В старину, если бурение производилось без вышки, назначением одного рабочего в буровой команде было удерживать «столбы» руками в вертикальном положении. Штанги в «свечах» можно соединять цилиндрическими резьбами, а для соединения «свечей» между собой очень хорошо применить конические.
Когда нет подходящих труб, штанги можно сделать из дерева с металлическими наконечниками, соединяя их внахлестку на болтах. В старинных руководствах эта конструкция описана как вполне реальная. Дерево для штанг: тонкослойная ель, лиственница, ясень, дуб. Деревянными штангами бурили на небольшую глубину при диаметре скважины до 3 дюймов только ударным способом.
При свинчивании-развинчивании штанги висят в скважине на подкладной вилке, опираясь на нее муфтой, для этой же цели, а также для подъема и спуска штанг в скважину служит фарштуль (рис. 27). Фарштуль состоит из серьги, надетой своими ушками на цапфы массивной траверсы с вырезом посредине для пропуска рабочих штанг. Вырез закрывается откидной щеколдой (собачкой, заградительной планкой или шпилькой). Штанга, заведенная в фарштуль, садится муфтой на края выреза траверсы.
Рис. 27. Принадлежности для штанг: а – подкладная вилка; б – фарштуль; 1 – серьга; 2 – щеколда; 3 – траверса
Вращательное движение штанг в скважине осуществляется с помощью накидного хомута, который может быть выполнен из дерева и стягиваться шпильками.
В процессе ударно-вращательного бурения, несмотря на все предосторожности, случаются неполадки и аварии, приводящие к тому, что из скважины приходится извлекать какие-то предметы. Для этого служит ловильный инструмент (рис. 28).
Рис. 28. Ловильный инструмент: 1 – винт (метчик); 2 – колокол; 3 – штопор; 4 – «счастливый» крюк
Чаще всего приходится вытаскивать из скважины оторвавшиеся штанги. Разрыв штанг происходит в первую очередь потому, что в домашних условиях для штанг часто используют случайные материалы, а также из-за неопытности бурильщика. Для вытаскивания оторвавшихся штанг применяют ловильный винт, или метчик, представляющий собой стальной закаленный винт конической формы, нижний конец которого свободно входит в отверстие штанг. Продольные канавки ловильного винта предназначаются для стружки, образующейся при прорезывании винтом стенок штанги трубок.
В тех случаях, когда отверстие оторвавшейся части замято и конец ловильного винта в него не входит, а также для вытаскивания оторвавшегося рабочего инструмента с шейкой из сплошного металла, используют ловильный колокол.
Аналогичные ловильные инструменты применяют и для обсадных труб.
Когда упущенная в скважину штанга имеет наверху муфту, для ее ловли применяют «счастливый» крюк, которым штангу подхватывают под муфту.
Для того чтобы из скважины вытащить упавший мелкий предмет, необходим ловильный штопор – спирально согнутая стальная пластина (полоса) с резьбовым хвостиком наверху. Штопор опускают в скважину на штангах, и при вращении он вместе с породой захватывает упавший предмет.
Для подъема тяжелой колонны штанг из глубоких шахт потребуется ворот или лебедка, а также опора для верхнего блока. Обычно в этом случае устанавливают буровую вышку (рис. 29), которая представляет собой треногу высотой 4,5–5 м с канатным блоком наверху. Через блок должна быть пропущена крепкая веревка или стальной трос, с помощью которых колонну штанг с инструментом и разбуренной породой можно было бы вытащить лебедкой или воротом на поверхность.
Рис. 29. Буровая вышка
При ударном бурении, когда инструмент со штангами поднимают на 1–1,5 м и сбрасывают в забой, для облегчения труда применяют балансир (рычаг 1-го рода) – деревянный брус или крепкую доску-шестидесятку. Чтобы долота разрабатывали круглую скважину, штанги с инструментом при каждом ударе поворачивают руками на некоторый угол. Поэтому к балансиру их подвешивают через штанговый вертлюг (рис. 30). Более совершенным устройством по сравнению с балансиром является специальная фрикционная лебедка, позволяющая осуществить удар в результате оттягивания каната.
Рис. 30. Вертлюг
Одним из серьезных моментов при ударно-вращательном бурении является заложение скважины. Надо помнить, что вращательное бурение ложковыми бурами всегда связано с опасностью скручивания штанг. И эта опасность тем больше, чем глубже скважина. Если при этом скважина заложена не отвесно, а под некоторым углом, то к напряжениям скручивания добавляются еще напряжения от изгиба буровой колонны. Кроме того, всякая наклонная скважина имеет тенденцию с глубиной все более и более уходить от вертикали, что сильно затрудняет как само бурение, так и опускание (особенно!), а также подъем обсадных труб.
При наличии треноги заложение скважины производят подвешенным инструментом, чем и достигается нужная вертикальность. Если треноги нет и штанги удерживают руками, то для закладки скважины необходимы три человека: двое закручивают ложковый бур, а третий следит за вертикальностью штанги. Когда ложковый бур углубится в землю на половину его длины, его вынимают, очищают и опускают вновь, подлив в скважину воды, чтобы стенки скважины по осыпались, а обмуровывались. Затем скважину опять проверяют на вертикальность и т. д. Если вертикальность не получилась, скважину надо начать вновь.
Сухая порода плохо удерживается в ложковом буре, поэтому надо в скважину подливать воду – она играет также и роль смазки. При длине ложки 750 мм скважина при полном заполнении ложки разбуренной породой углубляется примерно на 350 мм.
Так как устье скважины в земле сильно разрабатывается, то, пройдя буром первые 3–4 м, следует обсадить скважину одним или двумя звеньями обсадной трубы. Это первое крепление скважины обычно происходит без затруднений. Обсадная труба должна иметь внизу режущий башмак (см. раздел «Обсадные трубы»), а вверху – патрубок, предохраняющий резьбу от занятия. В скважине обсадная труба должна висеть свободно на деревянном или стальном хомуте.
Крепление скважины обсадной трубой обусловлено следующими причинами. Пластичные породы, особенно глины, пройденные буром, имеют тенденцию набухать под воздействием воды или вспучиваться в скважину от давления верхних пластов. В результате просвет скважины сужается и затрудняет (или даже делает невозможным) спуск бурового инструмента. Когда же скважина прорезает неустойчивые породы (пески, гравий, гальку, рухляки и т. п.), она начинает засыпаться или заплывать этими породами. Неизбежным становится крепление скважины и в том случае, когда приходится переходить к долблению твердых пород долотами. Разбуренная при этом твердая порода в виде бурильной грязи отбирается небольшими порциями желонкой; скорость проходки скважины подчас измеряется сантиметрами в сутки.
Ударно-канатное бурение
При глубине скважины более 10 м процесс ручного ударно-вращательного бурения становится очень тяжелым и трудоемким. Длинные штанги гнутся, трудно избежать искривления оси скважины, много времени уходит на свинчивание-развинчивание штанг, возникает опасность их разрыва. А когда бур не идет, натыкаясь на камни, работа превращается в настоящее мучение.
Между тем дело можно существенно облегчить, если штанги заменить стальным тросом или даже веревкой и производить бурение только ударным способом. В настоящее время этот ударно-канатный способ имеет некоторое промышленное значение, применяясь в основном при бурении глубоких скважин на воду.
Станок ударно-канатного бурения для сооружения колодцев был изобретен еще в Древнем Китае, и в принципе он не отличается от современных конструкций. Древнее техническое оборудование было преимущественно деревянным и приводилось в движение вручную. Несмотря на медленные темпы бурения, которое иногда длилось несколько лет и даже десятилетий, сооружались глубокие колодцы глубиной 1200–1500 м. Правда, строились они для добычи рассола и газа, а не для получения питьевой воды.
Ударно-канатное бурение подробно описано в брошюре профессора Е. Е. Скорнякова «Как находить воду посредством бурения и устраивать простейшие буровые колодцы», изданной в 1922 г.
В своей брошюре Е. Е. Скорняков упоминает буровой снаряд Шитца, который «работает чрезвычайно быстро и просто. В течение дня, если работать вдвоем, со всеми приготовлениями, можно легко пробить скважину диаметром 270 мм до 20 м глубиной». Буровой снаряд Шитца состоял всего из четырех несложных инструментов и был доступен для изготовления в любой кузнице (рис. 31).
Рис. 31. Буровой снаряд Шитца
Перед бурением в скважину глубиной 1 м (делается буравом) устанавливают вертикально столб диаметром 140–200 мм и закрепляют оттяжкой за якорь. На верху столба заранее делают поперечину (в виде глаголицы) с подкосом и блоком. Подвешенным на блоке буравом намечают центр скважины. Начинают проходку скважины тем же буравом на глубину 1 м.
Далее работу ведут коническим стаканом – это основной инструмент. Поднимают его за веревку на высоту 1–1,5 м и бросают. Стакан врезается в дно скважины, грунт входит в него, уплотняется и удерживается в стакане, пока его вытаскивают на поверхность. Может случиться, что стакан будет забирать грунта слишком мало или совсем его не забирать. Это происходит в тех случаях, когда грунт очень тверд и сух или состоит из сыпучего песка или песка, напитанного водой (плывуна). В первом случае надо подливать в забой воду, во втором – подсыпать немного растительной земли и незначительно смачивать водой. Можно также пустить в дело цилиндрический стакан или желонку. Последняя и предназначена для проходки сыпучих и оплывающих грунтов, поскольку снабжена клапаном. С помощью желонки можно извлекать и довольно большие камни, лишь бы они смогли пройти в отверстие под клапан.
Желонка в плывучих грунтах будет успешно забирать породу. Но поскольку порода будет заливать скважину, проходку скважины придется вести одновременно с опусканием обсадной трубы. Материалы, из которых делают обсадные трубы, могут быть самыми разными, здесь же мы пока остановимся на конструкции обсадной трубы из досок (рис. 32).
Рис. 32. Обсадная труба из досок
Это один из самых доступных вариантов. Заметим, что современные материалы позволяют несколько упростить конструкцию дощатой обсадной трубы – шины сделать вставными, а все соединения собрать на водостойком синтетическом клее, например, эпоксидном, с запрессовкой шурупами или гвоздями. Доски нижнего конца обсадной трубы заостряют, закругляют и в них также просверливают отверстия для прохода воды в водоносном слое. Верхние доски устанавливают вразбег, чтобы разнести стык при наращивании трубы. Обсадную трубу во время проходки скважины опускают до самого дна.
Описанный выше снаряд Шитца без помощи кузнеца изготовить совсем непросто. Так, даже в условиях довольно оснащенного ремонтно-механического цеха конический стакан автору сделать не удалось. Поэтому пришлось изготовить этот инструмент из двух отрезков труб: в нижней вырезали клинья кислородным резаком, нагрели до пластичного состояния, подогнули и заварили – получился конус (рис. 33).
Рис. 33. Конический стакан в современном исполнении: 1 – башмак 2 – конус; 3 – окно для чистки; 4 – ударная штанга
Недостатком бурового снаряда Шитца является невозможность проходки скважины в породе с крупными валунами и сплошными каменными пропластами. Однако устранить этот недостаток сравнительно легко, если использовать долота (как при ударно-врашательном бурении), а веревку заменить стальным тросом. Тогда ударно-канатное бурение становится универсальным, пригодным для любых пород.
Проходка твердых пород требует более сильного удара инструмента в забое. Достигается это применением тяжелой ударной штанги, которую можно сделать цельной или составной (из отдельных стальных болванок, штанг, заполненных бетоном). Соединять эти болванки лучше на фланцах с помощью болтов, поскольку цилиндрические резьбы от ударов быстро сминаются и разъединить потом болванки крайне трудно. В практике автора для проходки очень тяжелых пород (каменные плиты по 60–80 см толщиной одна над другой через 3–4 м) были использованы штанги общей массой до 500 кг. Понятно, что в этом случае уже без лебедки не обойтись, а веревку приходится заменить стальным тросом. Последний необходим здесь не только из-за прочности. Дело в том, что плоские долота необходимо при каждом ударе поворачивать на некоторый угол, чтобы они разрабатывали круглую скважину. Когда бурят ударно-вращательным способом, штанги поворачивают при каждом ударе руками. А как быть, если вместо штанг веревка? Замена веревки стальным тросом и позволяет осуществлять такой поворот с помощью специального устройства – канатного замка (рис. 34). Для крепления троса в замке его протягивают во втулку, конец расчаливают на отдельные проволоки, очищают до металлического блеска и вырезают пеньковый сердечник. Затем проволоки загибают вверх, чтобы они смогли войти в коническую расточку втулки, затягивают туда канат и заливают каким-либо легкоплавким металлом или сплавом. Втулка с закрепленным канатом должна в замке свободно вращаться, перемешаться вдоль оси и проскальзывать при закручивании-раскручивании каната. В этом как раз и заключается конструктивная идея канатного замка. Таким образом, при поднятии долота трос натягивается и раскручивается, поворачивая свободно висящее долото вместе со втулкой на некоторый угол. Когда же брошенное долото ударяет в породу, трос в результате снятия нагрузки снова закручивается, проворачиваясь в замке.
Рис. 34. Канатный замок: 1 – корпус; 2 – шайба; 3 – втулка; 4 – отверстие для выхода воды
Назначение опорной шайбы замка – предохранить его корпус от расклепывания при ударах, отверстия служат для вытекания воды, попавшей в замок. Конусная гребенка в верхней части замка позволяет захватить замок с помощью ловильного приспособления при аварии, если трос вырвется из замка, и вытащить ударную штангу с инструментом на поверхность.
Чтобы осуществить удар в забое, то есть сбросить ударную штангу с буровым инструментом с высоты тех же 1–1,5 м, надо оттягивать канат. Для этого удобно и просто использовать вторую лебедку. Например, с этой целью на выходной вал какого-либо редуктора можно установить небольшой барабан 220 мм диаметром, а на него несколькими витками набросить капроновую веревку (рис. 35). Один конец этой веревки с помощью захвата следует укрепить на тросе. При натягивании второго конца веревки руками она (в результате трения на барабане) оттягивает трос. Если отпустить конец, веревка проскальзывает по барабану и штанга с инструментом падает в забой. Разумеется, по мере углубления инструмента в грунт трос необходимо протравливать, а при подъеме из забоя на поверхность веревку с захватом отсоединять. Промышленные установки ударно-канатного бурения для оттягивания каната снабжаются специальными устройствами с довольно сложной кинематикой, воспроизвести которые самодеятельному бурильщику сложно да и не нужно.
Рис. 35. Схема установки для ударно-канатного бурения: 1 – долото; 2 – ударная штанга; 3 – блок; 4 – подвижный захват; 5 – канатный барабан; 6 – барабан для веревки; 7 – электродвигатель; 8 – редуктор; 9 – канат; 10 – веревка
Барабан для оттягивания каната можно сделать и с ручным приводом по типу старинного «донецкого» ворота. Такой ворот диаметром до 2 м делали из толстых досок, чтобы он выполнял роль маховика (для этого основную массу колеса надо по возможности разместить на ободе) и облегчал оттягивание каната благодаря инерции.
Надо сначала поработать штангами, чтобы прочувствовать всю прелесть ударно-канатного бурения. Скважина в этом случае идет совершенно отвесно, прямолинейно, глубина ее не лимитируется, лишь бы хватило троса, о быстроте подъема и спуска инструмента в забой не приходится и говорить, особенно если использовать лебедку с механическим приводом. Не требует сколько-нибудь значительных усилий и на подъем ударной штанги второй лебедкой.
Здесь не будут рассматриваться особенности бурения различных пород, слишком их много. Строитель колодца сам приспособится к «своим» породам, подбирая тот или иной инструмент. В ряде случаев дело облегчается, если в забой подливать воду. Тогда и процесс бурения идет легче, и разбуренные породы, особенно твердые, легче забрать желонкой.
При каждом подъеме из забоя бурового инструмента его надо тщательно осматривать. И все же, несмотря на все предосторожности, случаются аварии. Наиболее слабым местом при ударно-канатном бурении является крепление стального троса в канатном замке. При заклинивании инструмента в забое трос иногда можно вырвать из замка. В этом случае для извлечения инструмента придется изготовить ловитель (рис. 36). Перед спуском ловителя в скважину зубья его надо отвести в крайнее положение, сжав пружины и закрепив зубья штифтами. Когда ловитель наденется на верхнюю часть канатного замка – на конусную гребенку, торец замка приподнимет траверсу, штифты освободят зубья, и последние под воздействием пружин захватят замок за конические выступы.
Рис. 36. Ловитель для канатного замка: 1 – корпус; 2 – траверса; 3 – штифт; 4 – зуб; 5 – скоба; 6 – канатный замок
Когда проходка скважины ведется с обсадной трубой, буровой инструмент должен проходить внутри трубы с зазором 10–15 мм на сторону. Остающийся на стенках скважины лишний грунт будет срезаться обсадной трубой при ее опускании. Здесь опять весьма полезной окажется тяжелая штанга, которой трубу можно основательно пристукнуть и осадить вниз. Стальная труба в этом случае будет наилучшей.
Если скважина проходит через твердые пропласты камня, срезать стенки с помощью обсадной трубы уже не удастся. Можно попытаться расширить скважину эксцентричным долотом, но более эффективным инструментом является специальный расширитель. Этот расширитель имеет два резца, которые могут поворачиваться на оси и, выступая наружу, за края обсадной трубы, разрабатывать соответственно скважину большего диаметра. Расширитель работает вместе с долотом. Чтобы спустить расширитель в обсадную трубу, надо его резцы отогнуть вниз, сжав пружину.
Рис. 37. Расширитель скважины: 1 – верхний фланец; 2 – корпус; 3 – ось; 4 – резец; 5 – подкладка; 6 – пружина; 7 – нижний фланец
Пройдя нижний обрез обсадной трубы, резцы под воздействием сжатой пружины (через подкладку) расходятся и устанавливаются в рабочее положение (рис.37). При падениях ударной штанги резцы срезают породу со стенок скважины за пределами обсадной трубы. Когда инструмент поднимают на поверхность, резцы упираются в края обсадной трубы, поворачиваются вниз, преодолевая сопротивление пружины, и проходят в обсадную трубу.
Обсадные трубы
Обсадные трубы для самодельного трубчатого колодца лучше взять стальные, особенно для глубоких колодцев. Они прочнее других, и их легче соединить. Впрочем, обсадные трубы могут быть асбестоцементными, пластмассовыми, чугунными и деревянными. Обсадную трубу набирают из отдельных звеньев, длина которых для удобства в работе составляет 2–4 м. Стальные звенья соединяют между собой резьбовыми муфтами или сваркой. В значительной степени способ соединения зависит от диаметра. Так, трубы внутренним диаметром 50 мм (2 дюйма) проще соединять муфтами, а трубы диаметром 100 мм и более – сваркой. В частности, на концах труб диаметром 50 мм резьбу (14 ниток на 1 дюйм) нарезают на длине 50 мм. Вся длина муфты – 112 мм (100 мм резьбы плюс две концевые проточки длиной 6 мм для захода трубы). Форма муфты такая же, как и для соединения штанг.