Технології буріння свердловин в Україні

Доступ до чистих водних ресурсів відіграє критично важливу роль в Україні, забезпечуючи потреби як окремих домогосподарств, так і сільськогосподарського та промислового секторів. Ефективність та надійність технологій буріння свердловин на воду є ключовими для задоволення цього попиту.

Геологічна різноманітність України, що охоплює Карпатські гори, рівнини та Кримський півострів, зумовлює необхідність застосування широкого спектра бурових технік для ефективного використання підземних водних ресурсів.

Метою цього звіту є надання всебічного порівняльного аналізу основних технологій буріння свердловин на воду, що використовуються в Україні, а саме роторного, шнекового та ударно-канатного буріння. Звіт також коротко розгляне інші відповідні методи. У рамках аналізу для кожної технології буде розглянуто фундаментальний принцип роботи та механізм руйнування порід або ґрунтів, основне обладнання та інструменти, специфічні переваги в умовах України (враховуючи швидкість, економічність, глибинні обмеження та придатність для місцевих ґрунтів), властиві недоліки та обмеження, а також детальний аналіз їх застосування для різних типів ґрунтів та діапазонів глибин, що зазвичай зустрічаються в Україні.

Геологічна різноманітність України чітко вказує на те, що жодна окрема технологія буріння не буде оптимальною для всіх випадків. У звіті постійно наголошуватиметься на вирішальній важливості ретельного узгодження обраної технології буріння з конкретними геологічними умовами, присутніми на місці буріння.

Різноманітний геологічний ландшафт України означає, що різні регіони демонструватимуть значні варіації у складі ґрунтів, починаючи від пухких пісків та мулів і закінчуючи щільними глинами, тріщинуватими скельними породами та навіть мерзлотими ґрунтами в деяких північних районах. Кожна технологія буріння має свої унікальні сильні та слабкі сторони щодо здатності ефективно проникати та обробляти ці різні підземні умови.

Тому глибоке розуміння місцевої геології є не просто рекомендацією, а абсолютною передумовою для вибору найбільш відповідного, ефективного та, зрештою, економічно вигідного методу буріння для конкретного проєкту.

Початкові фрагменти  представляють як традиційні, так і більш сучасні методи буріння, що чітко вказує на триваючу еволюцію технологій буріння свердловин на воду. Вступ має визнати цей історичний прогрес і розмістити подальше порівняння в межах цього динамічного та еволюціонуючого технологічного ландшафту.

Хоча усталені методи, такі як ударно-канатне буріння, мають тривалу історію використання та залишаються актуальними в певних сценаріях, новіші та інноваційніші технології, такі як кероване та лазерне буріння, з’являються та набирають обертів. Звіт має зосередитися не лише на порівнянні трьох основних технологій, але й надати короткий огляд цих більш передових методів та їх потенційного майбутнього впливу та ролі в українській індустрії буріння свердловин на воду.   

Технологія роторного буріння

Принцип роботи та механізм

Роторне буріння ґрунтується на обертанні бурової головки, зазвичай тришарошкового долота із загартованими зубцями або більш сучасного алмазного долота, для механічного руйнування та подрібнення різних шарів підземної поверхні. Бурильна колона, що складається зі з’єднаних між собою бурильних труб та важчих бурильних штанг, відіграє вирішальну роль у передачі обертальної сили, що генерується буровою установкою, та необхідного осьового навантаження на долото, розташоване на дні свердловини.

Важливим аспектом є циркуляція бурового розчину, який може бути спеціалізованим буровим розчином (суміш води, глини та хімічних добавок) або просто водою, що закачується вниз через порожнисту бурильну колону. Він виходить через насадки в буровій головці, охолоджує її, запобігаючи передчасному зносу та виходу з ладу, а потім піднімається назад на поверхню через кільцевий простір між бурильною колоною та стінкою свердловини, виносячи подрібнені породи та ґрунт.

Крім того, буровий розчин відіграє важливу роль у стабілізації стінок свердловини, створюючи гідростатичний тиск, що допомагає запобігти обваленню, особливо в неконсолідованих формаціях.   

Обертання бурової головки забезпечується електродвигуном або газотурбінним обладнанням, розташованим на поверхні. Спеціальний компонент, вертлюг, розташований у верхній частині бурильної колони, забезпечує можливість вільного обертання колони, одночасно дозволяючи безперервне подавання бурового розчину всередину обертової бурильної колони.   

Обладнання, що використовується при роторному бурінні

Основні компоненти обладнання для роторного буріння включають міцну бурову вежу або щоглу для підтримки бурильної колони та підйомного обладнання, потужне джерело енергії (дизельний двигун або електродвигун) для приводу обертального руху та насосів, роторний стіл (застаріла технологія) або сучаснішу систему верхнього приводу для передачі обертання на бурильну колону, саму бурильну колону (що складається з бурильних труб та важчих бурильних штанг для створення осьового навантаження на долото), бурову головку, обрану відповідно до очікуваної формації, високопродуктивний буровий насос для циркуляції бурового розчину та запобіжники викиду (BOP), які є важливими пристроями безпеки, призначеними для запобігання неконтрольованому виходу пластових флюїдів під тиском.   

Часто вся установка для роторного буріння, включаючи двигун, привід ротора, мотор та вежу, монтується на шасі вантажного автомобіля з високою прохідністю. Ця мобільність є особливо важливою для доступу до різноманітних та потенційно віддалених місць буріння по всій Україні. Зокрема, згадується бурова установка УРБ 2А2, яка є поширеним типом в регіоні. Її ключові компоненти включають обертач, роздавальну коробку (пульт оператора), буровий насос та щогли. Ця установка здатна виконувати буріння не лише вертикально, але й під певним кутом. Використовуються тришарошкові долота як основний інструмент для руйнування порід, а також існує можливість проведення буріння всередині обсадної колони за допомогою доліт меншого розміру. Гідравлічна система відіграє вирішальну роль у забезпеченні живлення та керуванні обертовим рухом бурильної труби, а також у процесі підйому бурильної труби.   

Переваги роторного буріння в Україні

Роторне буріння вважається відносно швидким методом. Зазначається, що за допомогою цього методу можна обробляти до 1000 погонних метрів на місяць, що вважається недосяжним для інших методів, таких як шнекове або колонкове буріння. Також вказується порівняно невисока собівартість цього методу.   

Роторне буріння придатне для досягнення значних глибин, що перевищують 100 метрів. За деякими даними, глибина буріння може сягати до 200 метрів , а при використанні прямого промивання – до 500 метрів.   

Цей метод ефективний у складних формаціях, таких як напівскельні та скельні породи, тверді породи та ґрунти з кам’янистими включеннями. Також зазначається, що роторне буріння є більш прийнятним для твердих ґрунтів.   

Недоліки роторного буріння в Україні

Роторне буріння вимагає значних фінансових вкладень, що вказує на високі початкові витрати на обладнання та операції. Необхідність використання бурового розчину може призвести до забруднення водоносного горизонту при недотриманні технологічних вимог. Робота важкого роторного бурового обладнання може створювати значний шум та вібрації, що може бути проблемою в населених пунктах.   

Для буровиків існує недолік, пов’язаний з нижчою швидкістю буріння в м’яких породах порівняно зі шнековим або ударно-канатним бурінням, а також складністю точного визначення глибини та товщини водоносного горизонту через використання бурового розчину, який ускладнює візуальну ідентифікацію різних типів порід у вибуреній породі. Промерзлий ґрунт, поширене явище взимку в багатьох регіонах України, може бути серйозною перешкодою для роторного буріння. Існують також обмеження, пов’язані з неможливістю безпосереднього спостереження стінок свердловини та потенційно неповним вилученням зразків гірських порід через їх стирання та розмивання в свердловині. Процес буріння не можна назвати швидким, його середня швидкість рідко перевищує 20 метрів на добу, і цей час може збільшуватися в холодну пору року.   

Технологія шнекового буріння

 Принцип роботи та механізм

Шнекове буріння ґрунтується на механічній дії гвинтового бура, який обертається та одночасно заглиблюється в ґрунт. У процесі проникнення шнека в підземну поверхню ґрунт та подрібнені породи безперервно транспортуються вгору по спіральних витках шнека та вивантажуються на поверхню.   

У бурінні свердловин на воду використовуються різні типи шнеків, такі як шнеки з неперервними витками (де спіральні витки проходять безперервно по всій довжині бурильної колони) та шнеки з порожнистим стрижнем (які мають порожнистий центр, що дозволяє відбирати проби або встановлювати компоненти свердловини). Для кожного типу існують свої специфічні застосування. Типовий шнек складається з центральної металевої труби зі спіральною смугою металу (товщиною 4-6 мм), привареною до її зовнішньої поверхні. Кут нахилу лопатей шнека, який може варіюватися від 30 до 90 градусів, спеціально підбирається залежно від типу ґрунту, що буриться. Швидке обертання шнека створює відцентрову силу, яка ефективно притискає ґрунт до стінок свердловини, сприяючи її стабілізації, особливо в пухких та неконсолідованих ґрунтових умовах.   

 Обладнання, що використовується при шнековому бурінні

Основні компоненти обладнання для шнекового буріння включають джерело енергії, яким може бути електродвигун, гідравлічний двигун, а в деяких випадках, для невеликих установок, бензиновий двигун , бурову головку, спеціально розроблену для утримання та обертання шнекового бура, самі шнекові витки (які є спіральними секціями, що транспортують вибурену породу) та систему для прикладання контрольованого осьового навантаження або ваги для полегшення проникнення шнека в ґрунт.   

На ілюстраціях у фрагменті  представлені різні інструменти для шнекового буріння, включаючи дволопатеві та трилопатеві долота, різні типи шнеків та навіть ручний мотобур. Також згадується легка бурова установка ЛБУ-50, придатна для шнекового буріння на глибину до 50 метрів, що підкреслює існування спеціалізованого, відносно компактного обладнання для цього методу. Шнекова колона або транспортер та породоруйнівний інструмент, яким зазвичай є трьох- або дволопатеве долото, є ключовими елементами обладнання для шнекового буріння. Шнекові бурові установки особливо добре підходять для буріння в м’яких та середньощільних ґрунтах, а також характеризуються простотою конструкції та обслуговування. Діаметр свердловини, отриманої шнековим бурінням, може значно варіюватися, від 70 до 800 мм, що демонструє універсальність щодо розміру свердловини.   

Переваги шнекового буріння в Україні

Шнекове буріння ефективне в м’яких та середньощільних ґрунтах, таких як пісок, гравійно-піщані ґрунти, супісок, суглинок, глина та торф, зазвичай на глибину до 30 метрів, хоча іноді може досягати 50-80 метрів. Спеціальна бурова головка з технічними алмазами може використовуватися для надтвердих ґрунтів. У слабоцементованих відкладах гальки або щебеню може бути досягнута особливо висока швидкість буріння.   

Шнекове буріння є швидким методом, швидкість проходки може сягати до 40-80 метрів на годину. Воно, як правило, є економічнішим порівняно з роторним бурінням. Обладнання та процес шнекового буріння відрізняються простотою конструкції. Немає необхідності використовувати буровий розчин, що зменшує експлуатаційні витрати та екологічні ризики. Вибурена порода безперервно транспортується на поверхню, що усуває необхідність періодичного підйому бурильної колони для видалення шламу в багатьох випадках.   

Недоліки шнекового буріння в Україні

Застосування шнекового буріння значно обмежене м’якими відкладеннями, воно не підходить для буріння твердих порід, великих каменів та валунів. У деяких випадках шнекове буріння технологічно не дозволяє використовувати сучасні ПВХ та ПП труби, а також бурити на глибину понад 50 метрів. Крім того, може бути неможливо виконати бурові роботи на другий водоносний горизонт, якщо верхній забруднений. Шнекові насоси мають нижчий ККД порівняно з відцентровими насосами. В’язка порода, особливо щільна глина та щебінь, може налипати на лопаті шнека, що призводить до зупинки роботи та необхідності періодичного очищення. Для запобігання обваленню стінок свердловини часто потрібне використання обсадних труб.   

 Технологія ударно-канатного буріння

Принцип роботи та механізм

Ударно-канатне буріння ґрунтується на періодичному підйомі та скиданні важкого бурового інструменту, підвішеного на канаті. Удар долота об ґрунт призводить до його руйнування та подрібнення на дні свердловини. Буровий інструмент зазвичай складається з долота, бурової штанги (для збільшення ваги) та канатного замка (для кріплення до каната). Поворотно-поступальний рух, необхідний для підйому та скидання інструменту, зазвичай створюється за допомогою балансирної рами або іншої підйомної системи на буровій установці. Оскільки безперервна циркуляція рідини відсутня, подрібнена порода накопичується на дні свердловини та періодично видаляється за допомогою спеціального інструменту, який називається желонкою або ґрунтоносом. Зокрема, згадується використання "желонки", яку багаторазово забивають у свердловину для збору та вилучення розпушеного ґрунту. "Стакан" (що може позначати тип долота або циліндричний інструмент для збору шламу) та "желонка" є основними інструментами для руйнування ґрунту та його підйому на поверхню. Желонка зазвичай являє собою циліндричну конструкцію з клапаном на дні, який відкривається при проникненні інструменту в ґрунт, а потім закривається під вагою зібраного матеріалу під час його підйому. На рисунку у фрагменті  наведено схематичне зображення основних компонентів та принципу дії ударно-канатної бурової установки.   

Основні елементи обладнання

Основні елементи обладнання ударно-канатної бурової установки включають бурову вежу, балансирну раму або інший підйомний механізм, буровий канат, бурове долото, бурову штангу, канатний замок та барабан для спуску та підйому желонки. У фрагменті  проста конструкція описується як така, що складається з лебідки та блоку, забивного стакана, желонки або долота, троса та бурової штанги, закріпленої на каркасі установки. У фрагменті  наведено детальніший перелік компонентів, включаючи балансирну раму, щоглу, електродвигун, клинопасову передачу, інструментальну лебідку, вал ударного механізму, головний вал, желонковий барабан, талевий барабан, пульт керування, ланцюгову передачу та колісний візок.   

Переваги ударно-канатного буріння в Україні

Ударно-канатне буріння придатне для різних типів ґрунтів, поширених в Україні, включаючи піщані, глинисті та в’язкі ґрунти, а також пухкі сипучі ґрунти. Воно також може використовуватися в галечниково-валунних шарах ґрунту та в ґрунтах з високою гігроскопічністю, де роторне буріння з використанням промивних рідин може бути менш ефективним. Зазначається його застосовність для ґрунтів першої-четвертої категорій буримості, які є поширеними в Україні.   

Ударно-канатне буріння дозволяє досягати значних глибин, до 300 метрів, а за деякими даними – навіть 400-500 метрів, історично – до 1000 метрів. У деяких випадках можливе проведення буріння без використання глинистих розчинів, що може бути екологічно вигідним та спрощує процес у певних геологічних умовах. Сухий спосіб вилучення шламу дозволяє легше та точніше визначати глибину та товщину водоносних порід, а також краще розуміти підземну геологію. Ударно-канатне буріння може бути одним з найдешевших методів, особливо для неглибоких свердловин, де простота обладнання та експлуатації призводить до нижчих загальних витрат.   

Недоліки ударно-канатного буріння в Україні

Ударно-канатне буріння характеризується низькою швидкістю робіт, особливо порівняно з роторними методами. У деяких випадках відзначається висока витрата обсадних труб та потенційно висока вартість. Існує обмеження щодо неможливості буріння під кутом, що може бути суттєвим недоліком у проектах, де потрібні похилі свердловини. Ударно-канатне буріння неефективне при бурінні твердих порід, оскільки ударна сила може бути недостатньою для їх руйнування. Також можуть виникати проблеми при бурінні валунних відкладів та існує ризик нестабільності стінок свердловини в певних ґрунтових умовах. У слабких ґрунтах існує загроза обвалення стінок свердловини. Процес обробки пластів при цьому методі відбувається досить повільно. 

Гідробуріння 

Гідробуріння входить до переліку основних видів буріння свердловин. Для гідробуріння потрібні металева рама, бур, бурові штанги, двигун, вертлюг, лебідка, водяна помпа та шланги. Використовується промивний розчин, склад якого підбирається залежно від типу гірської породи. Заздалегідь готуються два резервуари: для промивної рідини та для вибуреної породи, що піднімається на поверхню потоком води. Незважаючи на перелік обладнання, гідробуріння вважається одним з найдешевших і найпростіших методів для глибоких свердловин, що забезпечує досить продуктивні криниці та потребує менше часу на будівництво.

Пневмоударне буріння 

Пневмоударне буріння також входить до списку основних методів буріння. Хоча фрагменти не містять детальної інформації про цей метод в контексті України, пневмоударне буріння зазвичай використовується для буріння твердих порід завдяки ударній дії, що приводиться в дію стисненим повітрям. Це може бути актуальною технологією для регіонів України з значними покладами твердого кристалічного фундаменту на різних глибинах.

Колонкове буріння 

Колонкове буріння є одним з основних методів буріння. Воно вважається ефективнішим для глинистих ґрунтів. При колонковому бурінні ґрунт не подрібнюється, а вилучається цілим пластом, що робить його ефективним для піщаних та глинистих порід. Це свідчить про те, що колонкове буріння може бути особливо корисним в Україні не лише для будівництва свердловин на воду, але й для геотехнічних досліджень та геологічних розвідок, де потрібне отримання відносно непорушених зразків ґрунту або порід для детального лабораторного аналізу. Його ефективність у глинистих ґрунтах може зробити його кращим методом у регіонах з переважно глинистими формаціями.

Кероване буріння 

Кероване буріння – це технологія, яка дозволяє змінювати траєкторію свердловини в процесі буріння для обходу перешкод або цілеспрямованого досягнення водоносних шарів. Це забезпечує вищу точність та дозволяє оптимізувати маршрут свердловини для досягнення найкращих результатів. Кероване буріння є сучасною передовою технікою, яка пропонує значні переваги щодо точності та ефективності, особливо в складних геологічних умовах або при необхідності точного націлювання на водні ресурси в Україні.

Лазерне буріння 

Лазерне буріння використовує потужні лазерні промені для руйнування гірських порід, що дозволяє бурити свердловини у вкрай твердих та важкопрохідних породах. Цей метод відрізняється високою швидкістю буріння та здатністю до прецизійного управління процесом. Лазерне буріння є передовою та високоспеціалізованою технологією, яка пропонує потенціал для дуже високих швидкостей буріння та виняткової точності при роботі з надзвичайно твердими та складними геологічними формаціями в Україні.

Таблиця 1: Порівняльна характеристика технологій буріння

Застосування для різних типів ґрунтів в Україні

Для буріння в піщаних ґрунтах, поширених в Україні, можуть застосовуватися різні технології. Шнекове буріння є ефективним для неглибоких свердловин у піщаних та гравійно-піщаних ґрунтах. Ударно-канатне буріння також підходить для піщаних ґрунтів на різних глибинах. Роторне буріння є універсальним варіантом, здатним працювати в піщаних формаціях на різних глибинах.   

Для глинистих ґрунтів, які також часто зустрічаються в Україні, шнекове буріння може бути застосоване для певних типів глин. Ударно-канатне буріння є загалом придатним методом для глинистих ґрунтів. Колонкове буріння вважається особливо ефективним для глинистих ґрунтів, хоча його основне призначення може бути пов’язане з геологічними дослідженнями. Роторне буріння також може використовуватися в глинистих ґрунтах.

Для буріння в скельних та кам’янистих ґрунтах, які трапляються в різних частинах України, роторне буріння є основним методом, спеціально розробленим для проникнення в тверді породи. Пневмоударне та лазерне буріння також можуть бути ефективними для особливо твердих порід, хоча їх поширеність та економічна доцільність в Україні можуть відрізнятися.

Для інших типів ґрунтів, таких як лесовидні ґрунти, в’язкі ґрунти та галечниково-валунні шари, може використовуватися ударно-канатне буріння.