Бурение

Бурение, способ сверления или долбления скважин в земле — в горизонтальном направлении, наклонном и вертикальном — для разведки грунта, для строительного дела, для добычи воды, нефти и проч. Бурение распадается: на размельчение грунта или горной породы в пределах размера скважины и на удаление затем из нее раздробленной массы. Оно бывает двух систем: вращательное и ударное; каждое из них может производиться ручным и машинным способом. При бурении скважин малого диаметра на незначительную глубину и в грунте мягком или средней плотности пользуются всегда ручным способом. Бурение  тогда производится при помощи треног, к которым буровой инструмент подвешивается на блоке; удлинение инструмента по мере углубления скважины достигается навинчиванием на него промежуточных штанг; подъем и опускание его производится лебедкой. При бурении на значительную глубину скважин большого диаметра прибегают к помощи паровой машины, приводящей в движение особый деревянный станок (буровой), например, станок Ленда. В нем для ударного бурения полученное от машины круговое движение преобразовывается при посредстве кривошипа в движение прямолинейное качательное особого рычага (балансира) поверх станка; к свободному концу балансира, приходящемуся над буровой скважиной, подвешивается ударный инструмент. Для вращательного бурения буровой станок передает свое круговое движение паре конических зубчатых колес над скважиной; к одному из них привинчивается буровой инструмент. В месте, где желают производить бурение, копают предварительно колодезь, в котором устанавливают направляющую трубу (матицу), несколько большего диаметра сравнительно с размером проектируемой скважины; благодаря точно установленному отвесному положению матицы, буровой инструмент производит при дальнейшем бурении в ней вполне вертикальную скважину. Над скважиной возводят деревянную постройку, вида усеченной пирамиды, — буровую башню (вышку), в которой помещают паровую машину, буровой станок и прочие принадлежности для производства бурения.

Буровые инструменты

Вращательное ручное бурение самое старинное и простое по устройству своих буровых инструментов; из них в настоящее время чаще употребляются следующие:

1) ручной бур, весьма удобный для исследования грунта на небольшую глубину. Он состоит из наконечника различного вида, в зависимости от плотности грунта, и полых железных труб, навинчиваемых друг на друга, каждая длиной в ½  сажени; головку бура составляет проушина, в которую вставляют деревянный рычаг для приведения бура во вращательное движение.

2) Ложка или резак (рис. 2) — раскрытый вдоль железный цилиндр, один край которого загнут внутрь, другой заострен и оканчивается винтовым напорьем, которым бур при вращении особым штанговым ключом врезывается в землю или породу; куски породы, постепенно заполняя ложку, при подъеме остаются в ней.

3) Спиральный бур (рис. 1) — две спирально завитые ленты из железа или стали, концы которых несколько выступают из образуемой ими спиральной трубки; высверленная при вращении бура масса остается в трубке и вместе с ней вынимается из скважины.

4) Для сыпучего грунта употребляется желонка — цилиндрическая с закрытым верхом труба, дно которой запирается открывающимся внутрь клапаном; особым винтовым пером у дна желонка врезывается при вращении в песок, который постепенно наполняет ее и при подъеме задерживается в ней закрывающимся клапаном. Подобная желонка без винтового придатка (черпак, рис. 3) служит для удаления из буровой скважины вязкой глины, ила, плывучего песка, также жидкости — как буровая вода, нефть и пр.; в первом случае, чтобы увеличить ее вес и глубже вводить в скважину, ее опускают на сплошных железных штангах; при выкачивании жидкости ограничиваются для ее погружения канатами.

5) При твердых породах и бурения на большую глубину, особенно когда имеют ввиду геологическое исследование грунта, применяется трубчатый бур (рис. 4) с алмазной или стальной коронкой с пилообразно заостренными зубьями. Стальная коронка менее употребительна, вследствие ее легкой порчи при работе; для алмазной пользуются черными бразильскими алмазами (8—12 на каждую коронку); они вделываются в стальное кольцо буровой коронки, несколько выступая наружу; коронка при помощи переводной муфты привинчивается к полой трубке бура. При быстром вращении бур постепенно углубляется в породу своей полой трубкой и при подъеме отрывает от нее своим внутренним с выступами кольцом цилиндрические куски, дающие точное представление о роде и строении породы на различных глубинах скважины. Скважина очищается беспрерывно от шлама струей воды, впускаемой под давлением в полые штанги бура. Этот способ бурения дорог и производится исключительно при помощи машин.

6) Для прорытия туннелей пользуются специальными гидравлическими буровыми машинами — вращательными и ударными; последние в большинстве случаев более употребительны.

Ударное бурение, как уже указано, может быть ручное и машинное в зависимости от размера скважины и плотности грунта. Ручное производится обыкновенным ударным долотом (рис. 5) на сплошных железных штангах, подъем и опускание которых происходит при помощи лебедки; долото после каждых двух-трех ударов поворачивается рабочим на небольшой угол. Время от времени инструмент вынимают из буровой скважины (для этого отвинчивают промежуточные штанги) и очищают ее желонкой от шлама, по которому судят о роде проходимой породы. Целесообразнее и выгоднее для бурения в сыпучих и глинистых грунтах пользоваться системой французского инженера Фовеля (Fauvelle). По этой системе буровое долото (рис. 6, долото для бурения с промывкой) укрепляется на полых (трубчатых) штангах, в которые накачивается под давлением вода, уносящая через верх скважины раздробленную породу, сохраняя, таким образом, забой скважины всегда чистым. Этим устраняется необходимость в разборке и составлении буров, инструмента специально для очистки скважины, чем сокращаются издержки, и бурение делается беспрерывным. Видоизмененная для машинного бурения инженером А. Фауком, введшим в нее автоматически действующий свободно-падающий инструмент, эта система считается самой совершенною для ударного бурения в грунте средней плотности. Долото может прикрепляться или непосредственно к последней штанге, составляя с ней одно нераздельное целое (английский способ), или оно связывается с ней промежуточной подвижной (ударной) штангой (немецкий способ); последняя, будучи привинчена непосредственно к инструменту, увеличивает своей значительной тяжестью общий вес его и, благодаря своему подвижному сочленению с остальными штангами, делает для них нечувствительными производимые буром при падении удары, предохраняя тем штанги от поломки. Находящиеся на ударной штанге направляющие корзинки (выгнутые наподобие скоб железные полосы) дают инструменту правильное положение в буровой скважине.

Подъем и сбрасывание ударного инструмента в скважине достигается или особым устройством его сочленения с последней штангой, как, например, в ножницах Эйэнгауза (рис. 7; они сделаны в виде двух цепных звеньев, входящих свободно одно в другое; ударная штанга с долотом прикреплена к одному из них, а верхние штанги — к другому звену, поэтому при подъеме последние подхватывают ударную штангу, а при движении вниз дают ей свободно ударять), или, как при   свободно-падающих инструментах, инструмент поднимается в скважине на высоту до 4 футов верхними штангами, и сбрасывание его происходит автоматически, давлением воды, находящейся в буровой скважине, на специальное приспособление между ударным долотом и штангами, либо оно производится повертыванием рабочими всей системы верхних штанг.

К первой категории относится редко употребляемый теперь буровой инструмент Кинда (рис. 8) с подвижными от давления буровой воды ловильными щипцами b, b, захватывающими при своем конечном положении внизу головку d ударного инструмента, удерживая его во все время подъема; при перемене движения штанг вода в скважине начинает давить на кружок С, сочлененный с щипцами, снизу вверх; щипцы тотчас раскрываются, и инструмент свободно падает. Ко второй категории принадлежит наиболее употребительный, всюду одинаково пригодный, свободно-падающий инструмент Фабиана (рис. 9); он состоит из патрона с двумя вертикальными прорезами, привинченного к верхним штангам, и из ударной части (долото и ударная штанга), входящей в патрон особым штоком с закрепленным в верхней его части стальным клином. Прорезы патрона имеют вверху уширения, куда при опускании патрона попадает клин штока ударной части и при подъеме поднимается вместе с ним; от сильного поворота рабочим верхних штанг, клин сдвигается с зубца, и долото с ударной штангою свободно падает на дно скважины. Свободнопадающие буровые инструменты отличаются большой производительностью. На Кавказе наиболее употребительны инструмент Фабиана (штанговый) и канатное бурение на ножницах. Этот род бурения производится или долотом, укрепленным на проволочном канате (способ Кольба), или — составляя уже переход к бурению со свободнопадающим инструментом — ножницами, подвешенными к канату из лучшей пеньки (пенсильванский способ). Сущность этой системы заключается в особом устройстве вертлюга, позволяющего ударной штанге с долотом поворачиваться во время работы вследствие раскручивания при подъеме натянутого буром каната. При падении долота канат опять скручивается. Бурение  по этой системе отличается простотой и дешевизной; вынимание инструмента для очистки скважины совершается быстро; система — исключительно машинная и требует опытных в деле рабочих. Стенки глубоких скважин укрепляются от обвалов опусканием в скважину обсадных труб — железные трубы длиной в 5 футов каждая, соединенные между собой наружной муфтой при помощи соответствующей винтовой нарезки или заклёпок. Перед опусканием обсадных труб буровая скважина предварительно расширяется особым буром-расширителем, который при вращательном бурении имеет вид обыкновенного косого долота, а при ударном — наиболее употребителен расширитель Кинда или Фаука (рис. 10), помещающийся между долотом и ударной штангой, обуривающий скважину своими двумя боковыми стальными резцами. При бурениях на воду работа производится обыкновенно с промывкой, чем достигается одновременно быстрое измельчение породы и вынос ее на поверхность земли; попутно получается также указание на наличность водоносного слоя, так как при встрече его промывочная вода им поглощается и более на поверхность земли не выходит. Для бурения с промывкой употребляются трубчатые штанги, через которые насосом вода и прогоняется через долото или зубило до забоя скважины. Бурение  без промывки менее производительно и применяется лишь в тех случаях, когда требуется особенно тщательный отбор образцов пройденных грунтов или нет в наличности воды.

См.: Tecklenburg, «Handbuch der Tiefbohrkunde»; А. Фаук, «Руководство к бурению скважин»; О. Войслав, «Исследование грунта и разведка полезных ископаемых посредством ручного бурения»; Fauck, «Fortschritte in der Erdbohrtechnik»; Глушков, «Бурение скважин» (3 тома).

Н. Бронштейн.