В зависимости от глубины залегания водоносного слоя, его строения и характера вышележащих пород скважина может иметь различную конструкцию и отличаться устройством водоприемной части, а также иметь только одну обсадную трубу.
В конструкцию некоторых трубчатых колодцев входят также детали для подключения водоподъемных насосов.
Процесс сооружения скважины включает бурение ствола скважины, оборудование ее трубами и фильтром, прокачку и установку насоса. Скважина представляет собой цилиндрическую горную выработку в породе, имеющую малый диаметр и довольно большую глубину. Она предназначена для отбора подземных вод, содержащихся в песках (иногда в песчаниках или трещиноватых известняках, мелах и других породах). Место, где скважина выходит на поверхность, называется устьем, дно скважины — забоем, боковая цилиндрическая поверхность — стенками. Глубина скважины зависит от глубины залегания водоносных песков, а ее диаметр — от насоса, который устанавливается в нее и обеспечивает необходимую подачу воды. Обычно для мелких хозяйств потребность в воде небольшая, поэтому нужно стремиться к возможно минимальному диаметру скважины. Это в свою очередь ускоряет работы по сооружению скважины и удешевляет их. Необходимо заранее установить геологическое строение участка, выявить потребность в воде для хозяйства и определить тип насоса. Бурение заключается в последовательном разрушении породы и извлечении ее с забоя специальным инструментом, который опускают и поднимают с помощью металлических штанг, троса или каната. В устойчивых породах скважину бурят без применения обсадных труб. В рыхлых породах используют трубы, позволяющие удерживать стенки от обрушения в процессе бурения. Однако во всех случаях скважина оборудуется трубами, в которых размещается насос.
Трубчатый колодец, если он правильно построен и грамотно обслуживается, обеспечит водоснабжение не хуже шахтного и не уступит ему в долговечности. К тому же он совершенно не пропускает поверхностные загрязнения при условии, что стыки обсадной трубы плотные и вода в нем не застаивается из-за малого объема водоприемной части. Этому способствует также и то, что в него не опускают обычное ведро, а воду поднимают насосом. Используя простейшее бурильное оборудование при благоприятных климатических условиях, трубчатый колодец часто можно построить быстрее (всего за 2–3 дня и даже за несколько часов) и на большую глубину, чем шахтный. Его сравнительно легко построить, скажем, глубиной 25–30, 50 м и более. Но все это возможно только в том случае, когда породы, которые надо пройти скважиной, имеют, как говорят, хорошую буримость.
Горных пород, слагающих земную кору, великое множество, и для процесса бурения важна не их структура, а такие характеристики, как плотность, твердость, устойчивость. Исходя из этого, все породы по буримости можно разбить условно на три группы: пластичные, способные резаться — давать стружку; твердые, которые могут только дробиться — раскалываться; сыпуче-плывучие, отличающиеся неустойчивостью — способностью оползать, осыпаться и заполнять пробуренную в них скважину. Практика бурения выработала соответственно и три типа рабочих буровых инструментов.
Бурение в песках (глинистых и влажных чистых) ведется с применением желонки или ложки. Водоносные и чистые сухие пески проходят только с помощью желонки при добавлении в скважину небольшого количества глины и воды. Если песок трамбуется, а не захватывается желонкой, необходимо использовать долото. В песках от начала и до конца бурят с одновременной посадкой обсадных труб.
При бурении в песках не следует допускать, чтобы буровой инструмент входил в породу ниже башмака трубы более чем на половину длины инструмента, иначе может произойти обвал песков и захват ими инструмента.
Посадку труб производят путем их вращения. При появлении воды в скважине бурение продолжают до того момента, когда нижняя труба войдет в нижележащие водоупорные породы. Установление высокого уровня воды в скважине над забоем при бурении средне- и крупнозернистых песков указывает на то, что приток ее в скважину будет достаточным. Чем больше мощность слоя водоносного песка, тем обычно большую водоотдачу имеет скважина.
Бурение в песках-плывунах мелких скважин целесообразно только в тех случаях, когда намеченный для эксплуатации водоносный горизонт залегает ниже, под этими песками, т. е. в песках-плывунах бурят только с изоляцией их обсадными трубами. Бурение же с целью использования содержащихся в этих песках подземных вод обычно нецелесообразно вследствие их чрезвычайно слабой водоотдачи и трудности оборудования скважин фильтрами.
Однородные пылеватые водоносные пески с диаметром зерен от 0,05 до 0,1 мм обладают свойством заполнять скважину вместе с водой. При бурении в песках-плывунах они немедленно следуют за приподнимаемой с забоя желонкой при движении ее вверх. Вода с песком заполняет пространство под башмаком трубы, а иногда поднимается на 4–6 м выше башмака. Иногда при быстром заплывании скважины плывун захватывает желонку.
Пески-плывуны проходят желонкой на канате с одновременной обсадкой скважины трубами. Обсадные трубы в большинстве случаев опускаются в плывунах сначала легко, почти с каждым ударом желонки, но по мере заполнения их песком погружение замедляется, а затем и вовсе прекращается. В этих случаях необходима принудительная посадка труб под давлением (описана далее).
Для неопытных бурильщиков бурение в плывунах представляет значительные трудности, так как скважина остается все время заполненной песком на одну и ту же высоту. Для бурения плывунов применяется желонка длиной не менее 2 м с хорошо пригнанным (желательно кожаным) клапаном. В процессе бурения она не должна опускаться ниже башмака во избежание захвата плывуном. Успешность проходки в плывунах зависит от скорости, с которой удается погрузить в них колонну обсадных труб.
При проходке плывунов в результате интенсивного вычерпывания желонкой приходят в движение значительные их массы вблизи скважины. Это может вызвать серьезные осложнения в работе: отклонение обсадных труб от вертикального положения, обвалы кровли над плывунами, разрушение шурфа и т. д. В момент выхода желонки из плывуна при подъеме резко понижается уровень в скважине, что объясняется движением плывунов за трубами к забою.
Плывуны, прилегающие непосредственно к обсадным трубам, передвигаются сверху вниз. Поэтому в момент выхода желонки из плывуна необходимо постоянно поворачивать трубы. Нередко одно лишь поворачивание обсадных труб не дает желаемых результатов. В этих случаях трубы вдавливают или забивают патроном. Для вдавливания труб в породу на них закрепляют две пары деревянных хомутов, на которых размещают дополнительный груз (например, ящики или мешки с землей). Вращение труб при этом не прекращается. Такая операция в большинстве случаев дает положительный результат.
Принудительная посадка труб особенно часто применяется при проходке более или менее мощных плывунов, а также при вдавливании башмака труб в водоупорную породу с целью изоляции скважины в процессе бурения от проникновения воды и песка. При прекращении бурения желонку, как всякий другой инструмент, нельзя оставлять на забое.
Бурение в галечниковых и гравийных породах ручным способом требует много времени. Гравий состоит из частиц размерами от 2 до 10 мм, а галька — от 10 до 100 мм. Скважины в галечниковых и гравийных породах дают обычно большое количество воды. При бурении этих пород применяют долото и желонку, причем лучше использовать желонку с клапаном, имеющим кожаные или резиновые прокладки. Порядок бурения следующий. К долоту привинчивают ударную штангу, на верхний конец которой навинчивают при канатном бурении вертлюг, а при бурении на штангах — переходник для буровых штанг. Собранный таким образом инструмент опускают на забой. Порода разрыхляется долотом и удаляется желонкой. Весь процесс проходки заключается в поочередном применении долота и желонки. По мере углубления скважина обсаживается трубами.
