Сведения о бурении

Основные сведения из геологии

Водоносный горизонт.

На территории Московской области находится пять водоносных каменноугольных отложений:

Касимовский

Каширский

Гжельско-Ассельский

Подольско-Мячковский

Алексинско-Протвинский

Залегание известнякового горизонта от 15м. до 250м.

Минералы

Минералами называют все элементы, а также их химические соединения, встречающиеся в земной коре в форме тел, различающихся однородностью состава, строения и свойств. Минералы можно определять по цвету, твердости, излому, блеску, запаху и другим признакам. Для бурения большее значение имеет твердость.

Горные породы

Минералы в земной коре практически не встречаются отдельно. В большинстве случаев они собраны в группы или агрегаты, называемые горными породами. Горные породы по происхождению делятся на осaдoчные, изверженные и метаморфические. Бурение на воду производят преимущественно в осaдoчных и метаморфических породах и гораздо реже в изверженных. Осaдoчные породы по своему происхождению разделяют на химические, образовавшиеся в результате выпадения осадков из воды или из других растворов (эти породы бывают кремнистые, карбонатные и железистые), обломочные, образовавшиеся из обломков других пород, и органогенные, образовавшиеся из скопления остатков животных и растений (к ним относятся известняки, доломиты, угли и т.п.). Валуны, щебень, галечник и другие крупные угловатые и окатанные обломки горных пород образовались в результате разрушения различных изверженных и метаморфических пород и последующей обработки их морскими водами и ледниками. Пески представляют собой продукт последующего разрушения более крупных обломочных пород. Самое большое распространение имеют кварцевые пески. По примесям других разрушенных минералов выделяют пески слюдистые, железистые, магнетитовые и другие.

Глины образуются в результате сноса мельчайшего ила, который реки несут в виде мути и который после отлагается в спокойной воде. Также различают глины, образовавшиеся в результате действий ледников, другой вид представляет собой конечный продукт разрушения гранита в процессе выветривания (каолины и огнеупорные глины Украинского кристаллического массива). Химический состав глин разнообразен. Кроме каолина (кремниевых соединений глинозема), в состав глин входят мельчайшая кварцевая мука, известь, доломит, железистые соединения, иногда гипс и другие вещества.

Супеси (глинистые пески) и суглинки (песчаные глины) — это переходные горные породы от глин к пескам; по составу они представляют различные соотношения смеси песчаных и глинистых частиц. Названия «суглинок» и «супесь» используются только для пород четвертичного возраста. Для пород до четвертичного возраста, одинаковых по составу суглинку и супеси, применяются наименования соответственно «песчанистая глина» и «глинистый песок».

При оборудовании водоприемной части скважины обязательно знать размер частиц породы, в которой намечается установить фильтр, а также количественное соотношение этих частиц между собой.

Классификация горных пород по буримости

Все горные породы обладают определенной сопротивляемостью к разрушению буровыми инструментами. Эта сопротивляемость, называемая степенью буримости, и зависит от многих факторов, например, от состава, строения, состояния и свойств породы, от твердости минеральных частиц, слагающих породу, их крупности, хрупкости, от прочности цементирующего вещества, влагоемкости породы, вязкости и монолитности ее и т.д., иными словами, а также от вида и способа бурения.

Основные сведения из гидрогеологии

Водопроницаемые и водоупорные горные породы, водоносные горизонты

Водопроницаемы и в большинстве случаев также водоносны горные породы, хорошо пропускающие (фильтрующие) воду: например, крупнозернистые пески, щебень, валуны, гравий, галечники, сильнотрещиноватые скальные породы и другие, т.е. породы, в которых имеется достаточное количество крупных пустот для проникновения и передвижения воды. Водоупорными горными породами являются плотные суглинки, плотные тяжелые глины, а также различные изверженные и метаморфические породы, если они не трещиноваты.

В случае когда изверженные и метаморфические породы трещиноваты, то они становятся водопроницаемыми. Пласты и слои водопроницаемых и водоупорных пород чаще всего чередуются. Виды и формы залегания различных слоев горных пород и их свит весьма разнообразны. Часто различно наклоненные или изогнутые слои водопроницаемых пород выходят на земную поверхность. Здесь атмосферные осадки и воды рек, соприкасаясь с ними, просачиваются вглубь, причем более благоприятны для этого песчаные, галечниковые, гравийные слои или слои трещиноватых горных пород — известняков, сланцев, песчаников и т.п.

В верхних частях земной коры чаще всего подземные воды встречаются в песках и других рыхлых породах.

Водоносным горизонтом называется пласт водопроницаемой породы, который заполнен (насыщен) водой, и способен ее отдавать.

Площади распространения водоносных горизонтов и водоносных пород в большинстве случаев совпадают.

Площади питания совпадают с местами выхода на дневную поверхность пород, создающих водоносный горизонт, а также с участками, где эти породы не перекрыты водоупорными толщами большой мощности.

Водопроницаемость рыхлых обломочных пород обусловлена их гранулометрического составом и, в частности, содержанием мелких пылеватых и глинистых частиц. Для того, чтобы определить содержание в водоносной породе частиц различного размера необходим анализ ее гранулометрического состава. По полученным данным подбирают размер частиц песчано-гравийной засыпки, определяют шаг намотки проволоки, выбирают номер сетки для фильтра и т.п.

Виды подземных вод

По условиям залегания и питания водоносных горизонтов подземные воды делят на верховодки, артезианские (напорные), грунтовые воды со свободной поверхностью, безнапорные межпластовые.

Также по условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в трещиноватых скальных породах и в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях. Водоносные горизонты всегда залегают на водоупорных или очень слабопроницаемых для воды горных породах.

Подошвой водоносного горизонта называют горные породы, подстилающие водоносный горизонт, например, их верхняя поверхность. Чаще всего она бывает водоупopнoй. Верховодкой называют подземные воды, которые находятся на небольшой глубине (2-3 м) над водоупорными прослоями и имеющими небольшое распространение на площади.

В тех местах, где водоупорные прослои кончаются, верховодка тоже исчезает, стекая в нижележащий, более мощный водоносный горизонт. Запасы верховодки малосущественны и непостоянны и зависят от количества выпадающих осадков. Зимой и в засушливые периоды верховодка обычно исчезает. Для водоснабжения ее не используют, так как она легко загрязняется с поверхности земли. Именно из-за этого при бурении скважин для водоснабжения верховодку нужно тщательно изолировать обсадными трубами, чтобы избежать загрязнения расположенного ниже водоносного горизонта.

Горизонты грунтовых вод со свободной поверхностью залегают на ближайшем от поверхности водоупopнoм слое. Содержащие их водоносные слои сложены скальными трещиноватыми или рыхлыми зернистыми породами. Подземные воды такого типа могут питаться за счет инфильтрации, т. е. просачивания в глубину по всей площади распространения водоносного горизонта. Они могут очень легко загрязняться стоками из выгребных ям, животноводческих ферм и т. п. Поэтому при использовании грунтовых вод такого типа для водоснабжения обязательно обеспечить надежную санитарную проверку и охрану участка водозабора.

Уровень грунтовых вод в скважине устанавливается на такой глубине, на которой они были вскрыты. В случае, когда среди водоносного слоя имеются водоупорные слои в виде линз, то после их проходки в скважине может наблюдаться местный, обычно небольшой напор.

Подземные воды, которые циркулируют в водоносных породах и расположены между двумя водоупорными слоями, бывают безнапорными или же обладают напором. Во втором случае они называются артезианскими.

Грунтовые межпластовые безнапорные воды соединяются с поверхностью земли водопроницаемыми слоями только на отдельных участках своего распространения; на остальной площади они защищены от загрязнения с поверхности верхним водоупорным слоем. При вскрытии вод их уровень в скважинах устанавливается либо незначительно выше водоупopнoй кровли водоносного слоя, либо на границе верхнего водоупора и водоносного слоя.

Артезианские водоносные горизонты залегают между двумя водоупорными слоями и хорошо защищены от поверхностного загрязнения. В отличие от грунтовых вод они очень часто имеют отдаленную область питания — за несколько километров или даже за десятки и сотни километров. При вскрытии скважиной уровень артезианской воды всегда устанавливается существенно выше водоупopнoй кровли водоносного горизонта, а иногда артезианская вода сама изливается из скважины -фонтанирует. На тех участках, где артезианские воды получают свое питание, они приобретают характер или межпластовых грунтовых вод, или грунтовых со свободной поверхностью.

Подземные воды всех перечисленных видов могут циркулировать в трещинах скальных пород или в пустотах рыхлых зернистых. В первом случае подземные воды, относящиеся к любому из перечисленных видов, получают дополнительное название трещинных.

Движение подземных вод

Движение воды в водоносном горизонте, или так называемая фильтрация, происходит по мелким трещинам и порам горных пород. Отдельные струи двигаются равномерно, без разрыва потока, с небольшими скоростями одна параллельно другой.

Такое движение подземной воды имеет преимущественное распространение в природных условиях и называется ламинарным. Закон ламинарного движения формулируется так:
Расход (количество) воды, фильтрующейся через поперечное сечение (определенную площадь) горной породы, пропорционален этой площади и напору, и обратно пропорционален длине пути фильтрации на данном участке потока.

Отклонения от закона ламинарного движения происходят при скорости движения подземной воды свыше 1000 м/сутки, что наблюдается только в карстовых районах и в породах, имеющих большие трещины. Движение воды в таком случае переходит в вихреобразное или турбулентное, при котором струи воды уже не движутся параллельно.

ВИДЫ СКВАЖИН

Буровые скважины представляют из себя цилиндрические горные выработки, имеющие большую глубину (до 5 км и более) и достаточно небольшой диаметр. Глубина скважин на воду составляет от 10 до 1000 м и более; чаще всего распространены скважины глубиной 100-150 м, реже — 200-300 м. Только в отдельных, сравнительно небольших районах страны глубина скважин на воду может достигать 800-1000 м. Скважины, вскрывающие пласты, которые содержат подземные воды, имеют большое количество преимуществ перед другими водозаборными сооружениями, и в связи с этим бурение их носит массовый характер.

Для добычи воды бурят как одиночные скважины, так и группы скважин. Поэтому все водозаборы подземных вод делятся на одиночные и групповые.

Групповые подземные водозаборы состоят из нескольких работающих одновременно скважин, расположенных на определенном расстоянии, при котором они взаимодействуют или могут взаимодействовать в установленных условиях режима эксплуатации.

Одиночные подземные водозаборы представляют собой единичные скважины и группы скважин, которые находятся вне зоны возможного взаимодействия или расположены даже если и на близком расстоянии друг от друга, но работают в разное время и в связи с этим не взаимодействуют (поочередно действует только одна скважина, а остальные — резервные).

На участках крупных водозаборов в малоизученных районах обязательно нужно проводить разведочное бурение и опытные работы. В районах с достаточнохорошо изученными гидрогеологическими условиями на участках, перспективных в соотношении количества и качества подземных вод для проектируемого группового водоразбора, бывает целесообразно без предварительной разведки сразу начать эксплуатационную разведку скважинами большого диаметра. После того как такие скважины выполнят свое назначение — разведку и опробование водоносного горизонта, в дальнейшем их оборудуют эксплуатационными водоподъемниками и превращают в источники постоянного водоснабжения.

Одиночные же скважины на воду бурят, в большинстве случаев, без предварительной разведки. Соответственно, это своеобразная и очень ответственная работа, так как разведка и исследование в этом случае должны одновременно сочетаться с созданием эксплуатационного инженерного сооружения.

Скважина называется разведочно-эксплуатационной тогда, когда ее конструкция, включая водоприемную часть, рассчитана на оборудование водоприемником проектной производительности. При положительных результатах опробования такие скважины передают в постоянную эксплуатацию.

Разведочной называется скважина облегченной конструкции и достаточно небольшого диаметра, оборудованная временным фильтром и предназначенная для вскрытия и предварительного опробования водоносного горизонта. Разведочные скважины часто бурят с таким расчетом, чтобы при необходимости можно было извлечь фильтр и обсадные трубы. Эксплуатационной может считаться скважина лишь после передачи ее в эксплуатацию. Это название не может присваиваться скважине при проектировании, так как даже в районах с достаточно хорошо изученными, но не разведанными детально на конкретном участке геолого-гидрогеологическими условиями всегда встречаются значительные отклонения от проекта. Поэтому одиночные скважины на воду, которые бурят без разведки точки заложения, всегда должны быть разведочно- эксплуатационными. В проектную конструкцию практически каждой скважины необходимо вносить изменения в процессе ее бурения, опробования и оборудования. В этом и заключается принципиальное отличие назначения и задач разведочно- эксплуатационного бурения на воду от эксплуатационного бурения, к примеру, нефтяных скважин.

Эксплуатационные скважины на нефть бурят только на детально разведанных месторождениях, опробованных и четко оконтуренных. При этом обязательно соблюдается строгое соответствие проекту, иногда даже типовому для данного месторождения. Недооценка, а иногда непонимание различия между эксплуатационным бурением на нефть и эксплуатационным бурением на воду очень часто приводят к формальному механическому следованию запроектированной конструкции скважины без учета вскрываемого разреза и в последствии к изоляции нужного водоносного горизонта. В результате скважина получается дефектной. Во избежание таких ситуаций, при так называемом эксплуатационном бурении на воду необходимо обязательно вести инициативную разведку и опробование вскрываемых водоносных горизонтов, особенно в малоизученных районах.