Шнековое бурение скважин: особенности метода и оборудования для ручного и механизированного бурения

Шнековое бурение для получения питьевой воды является наиболее распространённым методом среди владельцев частных домов. Для создания неглубоких водозаборных скважин можно использовать ручной земляной бур, однако для облегчения работы часто применяются компактные буровые установки с механическим приводом.

В этом материале мы объясним причины высокой популярности данного способа, сравним его с другими методами бурения и определим, в каких ситуациях он является наиболее эффективным. Мы подробно рассмотрим шнековую технологию, конструкции бурильного оборудования и инструменты, задействованные в ручном и механическом бурении.

Характеристика шнекового бурения

Буровая скважина представляет собой цилиндрическую выработку в земной коре, имеющую незначительное поперечное сечение при большой длине. Начало скважины называется устьем, боковые стенки — стенами, а дно — забоем.

Выбор оптимального метода бурения осуществляется с учётом назначения скважины, необходимых диаметра и глубины. Важно также учитывать физико-механические свойства пород, через которые необходимо пройти в процессе создания водозаборной выработки.

Кроме того, технико-экономическая целесообразность бурения в определённых условиях тоже имеет значение. Этот аспект является важным на этапе проектирования, когда определяются ключевые технологические решения — тип оборудования и режимы бурения.

Эффективность шнекового бурения оценивается по критериям качества скважины, её долговечности, срокам возведения и стоимости.

При проектировании и осуществлении буровых работ важно ориентироваться на долговечность скважины, а также на сохранение стабильного дебета и неизменной водопроницаемости призабойной зоны на продолжительный срок.

Процесс бурения включает в себя несколько основных операций:

1. Разрушение породы на забое, то есть отделение фрагментов от массива.
2. Подъём отработанного грунта на поверхность.
3. Подготовка скважины к эксплуатации: прочистка и обустройство ствола, а также промывка выработки.

Эффективность бурения во многом зависит от природных физико-механических характеристик, таких как плотность породы, пористость, водопроницаемость сыпучих и связных грунтов, а также консистенция глинистых пород.

Шнековое бурение целесообразно использовать для создания скважин с диаметром от 60 до 200 мм и глубиной не больше 80 м в несвязанной и связанной породах (I-III категории по буримости). В случае скальных пород средней твёрдости (IV-VI категории) применение винтового бура будет неэффективным.

Данный метод не подходит для бурения в скальных породах, которые характеризуются монолитностью и кристаллическими связями между частицами. Чем прочнее связаны минералы в породе, тем больше усилий требуется для её разрушения.

Плюсы и минусы данного метода

Шнековое бурение применяется как в промышленности, так и в гражданском строительстве, а также при ручном бурении скважин. Его уникальность заключается в том, что разрушенная порода удаляется не с помощью промывочной жидкости или газожидкостных смесей, а непосредственно с помощью элементов шнекового инструмента.

Различают вертикальное и горизонтально направленное шнековое бурение. Первый метод используется для создания водоносных скважин и формирования отверстий для свай, тогда как второй — для прокладки инженерных коммуникаций без раскопок.

Вращательное бурение мягких пород является самым быстрым и экономически выгодным среди всех доступных методов.

Этот метод обеспечивает высокую скорость проходки в рыхлых грунтах на глубину до 50-80 метров, что позволяет сразу же устанавливать обсадные трубы, формируя стенки выработки.

Ещё одним достоинством является то, что отработанный грунт поднимается на поверхность без подъёма бурового инструмента. Кроме того, отсутствие необходимости в промывочной жидкости делает этот метод идеальным для безводных районов и при низких температурах.

На сегодняшний день шнековые установки применяются:

• Для создания водозаборных скважин;
• При строительстве фундаментов из винтовых или буронабивных свай;
• Для установки ограждений и железобетонных опор;
• При прокладке коммуникаций без создания траншей;
• Для строительства неглубоких колодцев и приямков.

Тем не менее, у этого метода есть и некоторые недостатки. Шнеки не способны пробурить скважину в твердых породах. При работе с твёрдыми и полутвёрдыми суглинками, глинами с известняковыми прослойками встречаются сложности, а при бурении абразивных пород увеличивается расход бурового снаряда.

Кроме того, существует предел глубины, при превышении которого — более 80 метров — бурение становится затруднительным.

Технология вертикального бурения

Шнек — это прочная бурильная труба с закрученными спиралями, выполняющая функцию вертикального винтового транспортира. Под осевым давлением рабочая часть бурового снаряда внедряется в породу, разрушая её методом резания и разрыхления. Параллельно шнек поднимает отработанный грунт на своей спирали.

Очищение скважины происходит непрерывно и одновременно с разрушением породы. Изолированный от забоя грунт попадает на быстро вращающийся шнек.

При помощи центробежных сил разрыхленный грунт перемещается вверх по лопастям буровой колонны. Подъём происходит благодаря скольжению по спирали, так как трение между грунтом и шнеком меньше, чем между грунтом и стенками скважины.

Таким образом, разрушенная порода доставляется в измельчённом состоянии от забоя на поверхность и выводится из скважины. При беспрепятственном подъёме грунт занимает 30-40% объёма между витками шнека.

Параметры шнековой колонны должны обеспечивать быструю транспортировку всей массы разрушенного шнеком грунта. Однако часть разрыхленного грунта может осыпаться обратно на забой. Отсюда необходимость улучшенной очистки ствола и последующей промывки после завершения бурения.

Горизонтальное шнековое бурение

Горизонтально направленное шнековое бурение используется для прокладки инженерных коммуникаций под препятствиями (такими как автомагистрали, железнодорожные пути и лесные участки).

В самом начале работы создаются два котлована — стартовый и приёмный, которые должны находиться на одном уровне с проектируемой скважиной. Затем в рабочий котлован опускается и устанавливается нужное оборудование.

Для осуществления шнекового бурения в горизонтальной плоскости используются мощные установки с передвижным буровым вращателем, обладающие высоким моментом силы.

Такое оборудование имеет значительный ход подачи и оснащено стойкой к износу буровой головкой из высоколегированной стали. Дополнительно на установке установлен зонд для мониторинга процесса бурения. Оператор, получая сигналы на мониторинг, контролирует процесс и может корректировать направление движения и угол наклона буровой головки.

Когда шнек достигает приёмного котлована, что соответствует конечной точке по проекту, его снимают. Вместо него устанавливают расширитель и трубу, после чего запускают вращение лопастей в обратном направлении, чтобы подтянуть трубу в готовую скважину. По завершении бурительных работ шнековая установка извлекается из стартового котлована.

Бестраншейный метод позволяет прокладывать трубы под коммуникации на глубину до 80 м, оставаясь ниже уровня грунтовых вод. Все сложные работы выполняются без необходимости рыть траншеи, что сокращает время выполнения и снижает затраты.

Горизонтальное шнековое бурение активно используется для укладки напорных трубопроводов и монтажа систем связи в случаях, когда использование других методов невозможно. Главное преимущество этой технологии заключается в её экономичности, а также в том, что для поддержания устойчивости готовой выработки нет необходимости использовать бентонит или другие полимеры.

Специфика бурения в различных породах

Основные технологические параметры бурения скважины включают осевую нагрузку и скорость вращения винта шнекового транспортёра. Увеличение нагрузки неизбежно ведёт к увеличению скорости проходки, что может привести к различным аварийным ситуациям.

Поэтому особенно важно следить за тем, чтобы количество отделяемой шнеком породы за единицу времени не превышало производительность транспортёра, иначе могут возникнуть пробки на витках.

Скорость шнекового бурения зависит от свойств грунта, глубины и диаметра скважины, количества оборотов колонны, осевой нагрузки на забой и конструкции используемого инструмента для разрушения породы.

Пластичные глинистые породы и рыхлые пески средней плотности обычно бурят без дополнительной осевой нагрузки. Шнек проникает в грунт под своим весом и реактивной силой, создаваемой при подъёме отработанной породы к устью скважины.

Осевые нагрузки до 5 кН применяется при начальном бурении, а также в твёрдых супесях, суглинках, глинах, аргиллитах и алевролитах. Обращаем внимание, что частота вращения не должна превышать 1,7-3,3 об/с.

При более высоких частотах возникают вибрации, которые могут привести к потере соединений между звеньями буровой колонны. В конечном итоге буровой снаряд может остаться на забое, извлечь его становится крайне сложно, следовательно, придётся бурить новую скважину. В то же время, при слишком низкой частоте существенно затрудняется подъем отработанного грунта вверх.

С повышением твёрдости горных пород возрастает осевое давление. Бурение в гравийных и щебенистых грунтах, а также в мерзлых суглинках, насыщенных водой песках и алевролитах с кварцевыми включениями осуществляется с осевым напряжением в диапазоне 8-10 кН на долото и частотой вращения колонны от 1,3 до 2,2 оборота в секунду.

Шнековое бурение не применяется для галечников и пород с валунами. Эти гладкие обломки скальных пород могут повредить долото, и для их извлечения используется желонка.

При бурении в песках с различной плотностью и водой, а также в гравийных отложениях необходимо повышать обороты и одновременно укреплять стенки выработки обсадными трубами.

Процесс бурения шнеком по мягкопластичным и текучим глинам часто затрудняется образованием пробок из глинистых частиц, которые прилипают к шнеку, что мешает углублению скважины и затрудняет выемку отработанной породы.

Чтобы избежать этих проблем, рекомендуется снизить скорость бурения до минимально необходимой, раскачивать колонну и подливать воду в скважину. Также полезно периодически поднимать бурильное оборудование на поверхность и очищать его от налипшего материала.

Оборудование для шнекового бурения

Инструменты для шнекового бурения классифицируются по конструкции в зависимости от количества витков и форм резательной части. Для достижения результатов в твердых и полутвердых супесях обычно используют буровые снаряды с дополнительными резцами на кромке.

Для частных водозаборов чаще всего требуется лишь один стартовый шнек без дополнительных элементов, так как бурение предполагает связь с осадочными породами. При углублении инструмент наращивают буровыми штангами.

В таких случаях буровой снаряд извлекается из скважины каждые 0,5—0,7 метра для очистки от разрушенной породы, что является более экономичным, хотя и трудоемким способом бурения.

Когда требуется бурение в условиях присутствия валунов и гальки, переходят на ударно-канатный метод с использованием долот из инструментальной стали. Этот острый бур с нижней заточкой сбрасывается на забой с достаточной силой, пока не преодолеет «трудную преграду».

После разрушения гальки или валуна фрагменты поднимаются на поверхность стаканом или желонкой, после чего процесс снова продолжается с использованием шнекового метода. В большинстве случаев в процессе бурения приходится комбинировать несколько методов.

При бурении рыхлых песков и мягких суглинков применяются шнековые снаряды с расширенными лопастями, направленными к забою под углом 30–60°, а для работы в глинах — под 90°.

Шнек — это конструкция в виде трубы или длинного стержня со спиральной навивкой. Спираль формируется путем намотки прочной стальной ленты диаметром 5-7 мм на винтовую оправку, после чего она приваривается к трубе или стержню.

Увеличение диаметра основной трубы снижает транспортировочную способность шнека, однако его размер ограничивается прочностью и технологией производства. На сегодняшний день существуют два вида шнеков:

• С центральным отверстием, то есть полые;
• Утяжелённые — без отверстия.

Чтобы уменьшить износ винтового транспортера при бурении в абразивных краеугольных породах, на внешнюю кромку навивают стальную полосу или наплавляют металлический слой.

При высоких скоростях шнекового бурения к снаряду присоединяют переходник с двухзаходной навивкой из полосовой стали, позволяя основной массе породы попадать на винтовой транспортёр без перетирания.

На конце трубы со спиралью обязательно привариваются соединительные элементы. Существуют два типа соединений шнеков: безрезьбовые и резьбовые. В случае безрезьбового соединения шнеки крепятся муфтовыми замками, удерживаемыми металлическими пальцами с фиксаторами, а резьбовое соединение предполагает ввинчивание.

Резьбовые соединения позволяют механизировать соединение и разъединение шнеков при опускании и подъёме, а также при подаче жидкости на забой. Однако существенным недостатком является то, что реверс шнеков в этом случае невозможен, что делает безрезьбовое соединение более распространённым.

Специальные буровые установки обычно имеют набор шнеков различных диаметров. Наиболее эффективными являются полые шнеки, благодаря центральному отверстию, через которое подаётся воздух или вода, что снижает трение материала о поверхность винтового транспортёра.

Полые шнеки с резьбовым соединением используются при бурении с продувкой, для откачки жидкости при создании цилиндрических выработок в земной коре, установки зарядов в геофизических скважинах и закачивания бетона в отверстия под сваи. Они также могут применяться как обсадные колонны.

При бурении с полностью сплошным забоем центральный канал перекрывается бурильным инструментом, закрепленным на канате.

Обзор буровых машин

Для шнекового бурения используют как ручные инструменты, так и механизированные установки. Наиболее простой в конструкции является ручной земляной бур, который состоит из стержня или трубы с винтовым ножом и жёстко закреплённой Т-образной ручкой.

Такой бурильный инструмент ввинчивается в землю, действуя как штопор, и в процессе проходки выработки его наращивают штангами. Ручные земляные буры часто бывают разборными для удобства транспортировки в легковом автомобиле и для возможности изменения длины шнековой колонны.

С помощью ручного инструмента можно создать отверстия глубиной до 2 метров и диаметром до 20 см. Также существуют мотобуры с бензиновым или электрическим приводом, которые включают шнек и двигатель с редуктором. Вращение мотора обеспечивает движение шнека.

Используя приводной инструмент и буровые штанги для наращивания, можно бурить скважины глубиной до 25 метров при диаметре до 30 см, что позволяет устанавливать опоры для уличного освещения, монтировать столбы ограждений или проводить шурфы для осмотра фундамента и основания.

Для бурения водозаборных скважин на участках частных домохозяйств и формирования широких отверстий под свайные фундаменты применяются переносные малогабаритные станки или буровые установки на мобильной платформе.

Мобильные агрегаты представляют собой компактные установки с бензиновыми или электрическими моторами, позволяя быстро пробурить скважину на даче или подготовить большое количество ям для опор различных видов.

Нередко такие буровые установки разрабатываются в виде прицепов для легковых автомобилей, что упрощает их транспортировку к месту работы.

В гражданском и промышленном строительстве для формирования глубоких и широких выработок пользуются шнековым специализированным оборудованием, установленным на мобильной технике, такой как грузовые автомобили и тракторы.

Это оборудование активно используется для монтажа опор высоковольтных линий и уличного освещения, установки заборов на стадионах, в спортивных комплексах, промышленных зонах и аэродромах. Кроме того, шнековые буровые установки на передвижной платформе помогают в строительстве шпунтовых ограждений котлованов и установке винтовых свай.

Полезное видео по теме

Шнековое бурение водозаборной скважины глубиной 20 метров на приусадебном участке:

В данном видео демонстрируется технология горизонтального шнекового бурения скважины для прокладки коммуникаций под автотрассой:

Оборудование для устройства свай с использованием непрерывного шнека большого диаметра и центрального канала. Применяется буровая установка Bauer BG-30 и высокопроизводительный стационарный бетононасос Liebherr:

Метод шнекового бурения позволяет достигать высокой скорости при создании скважин, так как процесс разработки и подача отработанной породы происходят одновременно, что существенно экономит время, усилия бурильщиков и финансовые затраты на проект. Поэтому шнековое бурение пользуется большим спросом.

Просьба оставлять комментарии в ниже расположенной форме. Поделитесь опытом использования ручного шнекового инструмента или работы с компактной буровой установкой. Ваши советы и технологические нюансы могут быть полезны другим пользователям сайта.