Гидрогеологическое бурение

Способы проходки гидрогеологических скважин, их конструк­ция, состав наблюдений непосредственно при бурении, помимо строения гидрогеологического разреза, в решающей степени опре­деляются их назначением.

По целевому назначению могут быть выделены следующие ос­новные категории гидрогеологических скважин; 1) картировочные (поисково-картировочные), 2) разведочные, 3) разведочно-экс­плуатационные, 4) эксплуатационные, 5) опытные, 6) наблюда­тельные, 7) режимные.

Картировочные скважины являются основным наиболее массовым видом скважин, бурение которых осуществляется непосредственно в процессе гидрогеологической съемки. В случае если перед съемоч­ными работами ставится задача поиска месторождений подземных вод (см. гл. 16), скважины этой категории рассматриваются как по­исково-картировочные.

Основными задачами картировочных скважин является изуче­ние гидрогеологического разреза территории до глубин, опре­деляемых проектным заданием (как правило, до 100—150 м), с выделением водоносных и слабопроницаемых элементов разреза и раздельное опробование всех водоносных горизонтов, вскрытых при бурении. Расчленение разреза осуществляется по керну или шламу, а также с использованием методов каротажа. Вскрытие водоносного горизонта фиксируется по литологическому составу горных пород, появлению воды и изменению уровня, температуры или плотности промывочной жидкости. Раздельное (при изоля­ции смежных водоносных горизонтов) опробование включает: определение установившегося уровня воды, измерение темпера­туры, отбор пробы на химический анализ, проведение пробной откачки (налива или нагнетания).

Разведочные скважины, бурение которых осуществляется на разных стадиях разведки месторождений подземных вод, как пра­вило, ориентированы на изучение конкретного водоносного гори­зонта (горизонтов), предполагаемая перспективность которого для дальнейшего использования, глубина залегания и другие фак­торы установлены на стадии поисков. Конструкция скважины должна обеспечивать надежную изоляцию изучаемого интервала от смежных водоносных горизонтов разреза и возможность про­ведения необходимого комплекса его испытаний (опытные от­качки, наливы или нагнетания, отбор проб горных пород, воды и газа, проведение термометрии, расходометрии и др.). В том слу­чае, если после проведения комплекса разведочных испытаний, скважину планируется передать в эксплуатацию — категория раз­ведочно-эксплуатационных скважин — к ее конструкции предъяв­ляются соответствующие требования.

Эксплуатационные скважины всегда бурятся на продуктивный водоносный горизонт, разведочные исследования которого в не­обходимом объеме выполнены на предыдущих стадиях. В связи с этим конструкция скважин должна обеспечивать только их нор­мальную многолетнюю эксплуатацию с проектными величинами дебита и сохранением соответствующего состава и качества воды. Это определяет выбор конструкции фильтра, обеспечивающего удовлетворительную связь скважины с эксплуатируемым водо­носным горизонтом, и диаметра скважины, достаточного для ус­тановки водоподъемного устройства соответствующего типа. Не­обходимость сохранения состава и качества воды в большинстве случаев требует надежной изоляции эксплуатируемого интервала от смежных водоносных горизонтов разреза (наиболее часто от вышележащих, вскрытых при бурении).

В качестве опытных используются как скважины, специально пробуренные только для проведения опытных работ (фильтраци­онных, миграционных и др.), так и скважины других категорий (разведочные, разведочно-эксплуатационные, при соответствую­щим оборудовании — картировочные). Конструкция опытных скважин во всех случаях должна обеспечить выполнение полного комплекса опробований и испытаний, предусмотренных проектным заданием.

Наблюдательные скважины оборудуются в комплексе с опытны­ми (кусты скважин) для фиксирования изменений характеристик подземных вод (уровни, минерализация и др.), проявляющихся при проведении опытных работ, на различных направлениях и расстояниях от опытной скважины, определяемых расчетным пу­тем, или в смежных водоносных горизонтах (при исследовании взаимодействия ярусно залегающих горизонтов). Наблюдательные скважины в большинстве случаев проходятся малыми диаметрами и имеют простую конструкцию, поскольку в них чаще всего про­изводятся только замеры уровней и отбор проб воды на анализ. Однако в ряде случаев (оценка миграционных параметров в слож­ных условиях) в наблюдательных скважинах также предусмат­ривается проведение комплекса исследований (кавернометрия, расходометрия, каротаж и др.).

Режимные скважины оборудуются для проведения системати­ческих (длительных) наблюдений за изменением характеристик подземных вод во времени (замеры уровней, температуры, отбор проб на химический анализ). Скважины этой категории могут оборудоваться специально, но чаще для организации режимных наблюдений (после выполнения соответствующего комплекса ра­бот) используются картировочные, опытные или разведочные скважины.

В зависимости от геолого-гидрогеологических условий разреза, назначения и проектной конструкции при проходке гидрогеоло­гических скважин применяются различные способы бурения (Климентов, Кононов, 1989; Авдонин, 1994).

Проходка картировочных, поисково-картировочных, опытных и наблюдательных скважин глубиной до 100—150 м с начальным диаметром до 200 мм осуществляется чаще всего вращательным способом с кольцевым забоем (колонковое бурение с извлечени­ем керна) с промывкой водой, слабоглинистым аэрированным раствором или продувкой воздухом.

Применение при проходке гидрогеологических скважин тяжелых глинистых растворов нежелательно, поскольку образование на стенках скважины глинистой корки и фильтрация глинистого раствора в ирискважинную зону требуют прове­дения специальных мероприятий по разглинизации скважины, без чего практи­чески невозможно удовлетворительное опробование водоносных горизонтов.

В сложных и слабоизученных гидрогеологических условиях (частое переслаивание водоносных и слабопроницаемых пород, слабая водообильность, валунно-галечниковые отложения и др.) проходка картировочных и поисково-картировочных скважин осуществляется ударно-канатным способом.

Бурение разведочных и эксплуатационных (разведочно-экс­плуатационных) скважин с большим (до 1000 мм) начальным

диаметром обычно осуществляется ударно-канатным или ударно­вращательным способом. Во многих случаях используется комбини­рованный способ, при котором верхняя часть разреза проходится вращательным способом, а эксплуатационный интервал (водо­носный горизонт) — ударным.

При бурении глубоких разведочных и эксплуатационных сква­жин (главным образом на водоносные горизонты промышленных и лечебных минеральных вод) наиболее часто применяются роторный и турбинный способы бурения (Авдонин, 1994).

Как было сказано выше, конструкция гидрогеологических сква­жин определяется строением геолого-гидрогеологического разреза и целевым назначением скважины. Основными элементами конст­рукции гидрогеологических скважин (во всех случаях) являются: эксплуатационная (водоподъемная) колонна необходимого диа­метра, фильтр (фильтровая колонна с отстойником), элементы конструкции, обеспечивающие изоляцию опробуемого интервала (водоносного горизонта) от смежных водоносных горизонтов раз­реза (рис. 18.1).

Рис. 18.1. Принципиальная конструкция гидрогеологических скважин (Полевые методы..., 2000): а — с фильтровой колонной, выведенной на устье: б — с фильт­ром “впотай”; в — бег фильтра. 1 — кондуктор; 2 — затрубная цементация: 3 — эксплуатационная колонна; 4 — затрубно-межтрубная цементация; 5 — саль­ник (тампон); 6 — фильтр; 7 — глухие надфильтровые трубы; 8 — отстойник

а б в

Диаметр эксплуатационной колонны, который исходя из гео­логического разреза определяет начальный диаметр проходки скважины, должен обеспечить возможность использования испы­тательного (расходомеры, испытатели пластов, пробоотборники и др.) и водоподъемного оборудования, предусмотренного техни­ческим проектом.

Фильтры гидрогеологических скважин выполняют две основ­ные функции: I) предохраняют стенки испытуемого интервала от обрушения; 2) обеспечивают хорошую гидравлическую связь водоносного горизонта со столбом воды в скважине.

Конструкция фильтра определяется главным образом грануло­метрическим составом и состоянием (трещиноватость, закарсто- ванность) пород водоносного горизонта (опробуемого интервала).

Простейшей конструкцией фильтра являются каркасные (дыр­чатые или щелевые), которые используются в трещиноватых скальных и закарстованных породах, а также в крупнообломочных (галечники) при содержании более мелких фракций менее 50%. В грубо- и крупнозернистых песках применяются каркасно-прово­лочные фильтры с шагом проволочной обмотки от I до 6 мм. В средне-, мелко-, и тонкозернистых песках используются сет­чатые или гравийные фильтры (Авдонин, 1994). Бесфильтровые конструкции скважин используются только в устойчивых слабо­трещиноватых скальных породах и при эксплуатации водоносных горизонтов, сложенных тонкозернистыми глинистыми песками при наличии устойчивого верхнего водоупора.

Наиболее простым способом изоляции водоносного горизонта от вышележащих интервалов является использование обсадных труб с задавливанием их башмака на глубину нескольких метров в водоупорные породы (глины), перекрывающие водоносный горизонт (рис. 18.1). В случае если перекрывающий водоупор яв­ляется ненадежным (трещиноватые или песчанистые глины, скаль­ные породы и др.), на забое скважины создается глинистый там­пон, или цементируется башмак обсадной трубы. При дальнейшей проходке скважины глинистая или цементная пробка внутри об­садной трубы разбуривается.

Для более надежной изоляции производится сплошная затруб- ная цементация всей колонны обсадных труб от башмака до устья скважины (или на определенную высоту), или так называемая манжетная цементация, при которой цементируются отдельные участки затрубного пространства. При испытании глубоких гид­рогеологических скважин в сложных условиях (частое переслаи­вание водоносных и слабопроницаемых пород и др.) в отдельных случаях производится сплошная цементация затрубного простран­

ства (от забоя до устья скважины) с последующим вскрытием водоносных горизонтов (интервалов опробования) прострелом специальными перфораторами.

При необходимости раздельного опробования нескольких водо­носных горизонтов (интервалов), вскрытых скважиной, может про­изводиться испытание по схемам “сверху вниз” или “снизу вверх", при применении которых различными способами осуществляется последовательная изоляция уже опробованных интервалов. При этом для временной изоляции выделяемых интервалов широко используются различные сальники и тампоны (пакеры) нажим­ного или пневматического действия, которые извлекаются из скважины после проведения испытаний. При необходимости па­керы устанавливаются выше или ниже испытуемого интервала или изолируют его с двух сторон (сверху и снизу) (Климентов, Кононов, 1989)^I.