Шнековое бурение что это. Шнековое бурение скважин

Для продления срока службы долота необходимо использовать армирование твердосплавными резцами. Также стоит учесть, что диаметр долота должен превышать диаметр шнека на 20 мм.

Шнековое бурение скважин

Шнековый метод бурения — это одна из разновидностей буровых работ, применяемая в основном для создания неглубоких скважин, например, на песчаных грунтах.

Существует множество способов бурения скважин, предназначенных для добычи воды, и в данной статье подробно рассмотрим шнековый метод. Этот способ по сей день сохраняет свою популярность благодаря простоте технологии, хотя и не лишен специфических особенностей. Просверленная скважина может использоваться как для элементов базовой водоподачи, так и для более сложных систем, например, нефтяных.

Шнековое бурение — это процесс, при котором разрушенная порода поднимается на поверхность посредством шнекового инструмента.

Для выполнения этого метода применяются буровые установки с подвижным вращателем, обладающие повышенным крутящим моментом и подающими устройствами, которые могут углубляться на расстояние от 1,8 до 3 метров, а в некоторых случаях и до 15 метров. Шнеки соединяются между собой с помощью элементов фигурного сечения и резьбовых соединений.

Процесс разрушения породы, происходящий в забое при бурении, осуществляется с помощью бурового лопастного долота, которое проникает в горные породы. Для бурения массивных горных пород и гравийных отложений применяются долота с лопастями, расположенными под углом 90°, тогда как в рыхлых (или мягких) породах — под углом 30-60°. Кроме того, благодаря этому методу, острые элементы долота охладятся извлеченной породы. Частицы породы перемещаются по спирали шнека, причем трение между породой и шнеком гораздо ниже, чем между породой и стенками скважины. В процессе обычной транспортировки разрушенная порода достигает объема промежутка между витками от 0,2 до 0,4 м³. Производительность шнекового транспортера равна или превышает производительность долота.

Технология шнекового бурения

Шнеки с центральным каналом признаны наиболее надежными: они позволяют воде или воздуху поступать в забой. Такой метод снижает крутящий момент и коэффициент трения между породой и поверхностью шнека. Через центральный канал шнеков может производится подача забивных грунтов, взрывчатых веществ и фильтров в скважину. Полые шнеки часто используются в качестве обсадной колонны. Опорный канал шнеков закрывается съемным долотом на бурильных трубах или канате, когда происходит бурение плотным забоем.

Шнековый метод позволяет бурить скважины на песок на глубину до 50 метров с диаметром от 60 до 800 мм. Он идеально подходит для разрушения гравийно-песчаных и песчаных грунтов, а также в породы средней жесткости, когда проводятся геологоразведочные или взрывные работы.

Специфика шнекового бурения

Буровая скважина представляет собой цилиндрическую выработку в земной коре, которая имеет малое поперечное сечение при значительной протяжённости. Начальная часть скважины называется устьем, боковые поверхности — стенками, а дно выработки — забоем.

Оптимальный метод бурения выбирается с учетом функционального назначения скважины, а также желаемого диаметра и глубины. Необходимо также учитывать физико-механические свойства пород, которые необходимо пройти во время формирования водозаборной скважины.

Технико-экономическая эффективность бурения также имеет значение при принятии решения, что является важным этапом при проектировании скважин. На данном этапе определяются основные технологические решения, включая тип необходимого оборудования и режим работы.

Технико-экономическую целесообразность метода шнекового бурения определяют на основе качества скважины, ее долговечности, сроков сооружения и затрат.

При проектировании и бурении водозаборных скважин стоит ориентироваться на долговечность службы. Важен стабильный дебет и постоянная водопроницаемость призабойной зоны на протяжении длительного срока.

Процесс бурения включает несколько операций:

Разрушение породы на забое, то есть отрыв частиц от массива.
Подъем извлеченного грунта на поверхность.
Подготовка скважины к эксплуатации через прочистку ствола и промывку добываемым раствором.

Эффективность бурения зависит от физических и механических характеристик породы, таких как плотность, пористость, водопроницаемость несвязных грунтов и консистенция глинистых пород.

Шнековое бурение целесообразно для скважин диаметром от 60 до 200 мм и глубиной до 80 м в несвязных и связных грунтах (уровень буримости Ⅰ-Ⅲ категория). В случаях скальных пород с высокой жесткостью (Ⅳ-Ⅵ категория) использование шнека считается нецелесообразным.

Метод шнекового бурения не подходит для крепко скреплённых, монолитных и кристаллических пород. Чем прочнее связаны минеральные зерна в составе породы, тем больше необходимо энергии для их разрушения.

Преимущества и недостатки метода

Шнековое бурение используется как в промышленности, так и в гражданском строительстве, а также для ручного бурения скважин. Одна из его характерных черт заключается в том, что разрушенная порода удаляется с помощью самого шнека, без необходимости использования промывочных жидкостей или специализированных газожидкостных смесей.

Существует два направления шнекового бурения: вертикальное и горизонтальное. Первое применяется для установки водоносных скважин и создания отверстий под сваи, тогда как второе используется для укладки инженерных коммуникаций бестраншейным способом.

Вращательное бурение в мягких породах является наиболее быстрым и экономичным среди всех существующих методов.

Инструмент для шнекового бурения

Оборудование для шнекового бурения различается по типу конструкции, числе витков и геометрии режущей части. Для работы с твердыми и полутвердыми супесями и суглинками часто используются буровые механизмы, у которых кромка оснащена дополнительными резцами.

Ручной скважинный насос для воды своими руками

В большинстве случаев частные пользователи применяют только один стартовый шнек без каких-либо дополнений, поскольку бурят они в осадочных свях в связные и несвязные породы. Во время процесса заглубления инструмент просто удлиняют буровыми штангами.

При этом снаряд извлекается из ствола скважины через каждые 0,5 — 0,7 м, чтобы очистить бур и забой от разрушенной породы. Это экономичный, но более трудоемкий метод бурения.

Когда при бурении встречаются валуны и галька в осадочных грунтах, переходят на ударно-канатный метод. Обычно в этом случае используют долото из инструментальной стали. Такой заостренный бур с усилием сбрасывают на забой, пока не разрушат препятствие.

После разрушения валуна или гальки осколки поднимают с помощью стакана (колонковой трубы) или желонки, после чего возвращаются к шнековому методу. Чаще всего процесс бурения включает использование нескольких различных методов.

При бурении в рыхлых песках и мягких суглинках применяют буровые шнековые снаряды с наклоненными к забою лопастями под углом 30-60º, а для твердых глинистых пород — 90º.

Шнек представляет собой трубу или длинный сплошной пруток/стержень с навитой спиральной конструкцией.

Спираль получают путем намотки высокопрочной стальной ленты с диаметром 5-7 мм на винтовую оправку. Затем ее растягивают на трубе или стержне и приваривают. Чем больше диаметр основной трубы, тем меньше транспортная способность шнека. Однако максимальный диаметр ограничен механической прочностью шнека и технологией его производства.

На сегодняшний день производят два типа шнеков:

Полые шнеки с центральным отверстием;
Утяжеленные шнеки без отверстия.

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

При высоких скоростях бурения специальный переходник с двухзаходной навивкой крепят над шнеком. Это позволяет значительно уменьшить контакт породы с шнеком и увеличить скорость бурения.

На конце трубы с навитой спиралью обязательно устанавливаются элементы соединения. Существует два основных типа соединения шнеков: резьбовое и безрезьбовое. В первом варианте шнеки соединяются с помощью муфтовых замков и фиксируются металлическими пальцами с фиксаторами, во втором — резьбовым способом, что обеспечивает более быструю механизацию соединения и разъединения во время спуска и подъема. Однако резьбовое соединение ограничивает возможность обратного вращения шнеков, поэтому безрезьбовое соединение встречается чаще.

Специальные буровые установки обычно комплектуются набором шнеков различных диаметров.

Этапы проведения работ

Шнековое бурение может использоваться для создания как вертикальных, так и горизонтальных скважин. В случае последнего существуют следующие этапы:

Подготавливается и устанавливается необходимое оборудование на стабильной платформе.
Вырезается яма для удаления рыхлого грунта.
Направление бурения определяется лазерными измерительными приборами.
Устанавливаются все необходимые конфигурации и корпуса оборудования.
Сверло углубляется до достижения желаемой глубины.
Рабочий инструмент поднимается на поверхность.
К буровой установке прикрепляется новая секция, чтобы достичь необходимой глубины.

Вертикальная перфорация также возможна, но этот метод не требует установки футеровки.

Плюсы применения шнека

Процесс бурения водяных скважин с использованием шнеков делает ненужной измельчение и очистку почвы, которая отделяется от забоя скважины. Бурение происходит непрерывно, при этом также идет процесс разрушения почвы. После отделения от земли грунт поднимается на винте, который вращается с максимальной скоростью. Центробежные силы в процессе помогают поднять грунт к стенкам колодца, тогда как непрерывная лента выносит его вверх. Частично почва остается на стенках колодца. Это позволяет достичь необходимой скорости работы даже на четвертой категории горных пород.

К преимуществам роторной дрели относятся:

Высокая скорость проникновения;
Перемещение грунта без требуемого подъемного оборудования;
Постоянная подача свыше уровня земли;
Отсутствие необходимости в промывке.

Несмотря на все достоинства, стоит учитывать и недостатки метода. Для создания котлована с использованием винтового метода требуется небольшая глубина сверла.

Кроме этого, вращение массивной шнековой колонны требует значительных усилий. Чтобы увеличить срок службы долота, его следует армировать твердосплавными резцами.

При этом диаметр долота должен быть на 15-20 мм больше диаметра шнека.

Наиболее популярными являются наконечники с двумя-или тремя лопастями. Инструмент с тремя лезвиями, как правило, изготавливают из литого под давлением металла. Процесс вращения инструмента на буровом оборудовании осуществляется при помощи специальных станков.

Перед началом работы обязательно следует провести анализ грунта на участке, а также знать, сколько подается воды. Например, работа с установкой ЛБУ-50 требует специального ротатора, исключающего использование элементов ротора и шпинделя, что необходимо для обеспечения больших вращений и создания осевого движения винта.

Если колодец необходимо создать в сжатые сроки, следует применять мощные машины для обеспечения максимальной производительности. Для этого их устанавливают на автомобильные шасси. Бурение может выполняться установками CO-2, где в тандеме с оборудованием будет быть использован современный экскаватор.

Мембрана для гидроаккумулятора: назначение и разновидности, инструкция по замене. Какая мембрана для гидроаккумулятора лучше.

Хотя бурение скважин представляет собой сложную задачу, с необходимым инструментом и соблюдением технологии это вполне осуществимо.

Плюсы

Непрерывный процесс подъема грунта на поверхность;
Шнековая колонна не требует подъема во время бурения;
Высокая скорость углубления (до 100-300 метров за смену).

Необходимо быстрое вращение большой и тяжелой шнековой колонны, соответственно, буровая установка должна быть мощной;
Ограниченная глубина бурения, как правило, до 50 метров;
При столкновении с валунами дальнейшая проходка может быть затруднена, возможно, придётся бурить рядом;
Бурение в породах с высокой твердостью невозможно;
В вязких и липких грунтах возможно налипание.

Шнековое бурение является разновидностью вращательного бурения. Само название «шнековое» происходит от немецкого слова «Schnecke», что в переводе означает «винт» или «улитка».

Особенности данного процесса заключаются в следующем:

Этот метод бурения значительно отличается от других тем, что во время работы удаляется разрушенная порода и она транспортируется не потоком чистящих жидкостей, а за счет вращения колонны.

Шнековое бурение является довольно широко распространенным, универсальным методом, применяемым для создания неглубоких скважин в мягких и рыхлых грунтах. Этот способ удобен при работе с галечными породами. Также он часто используется в сейсморазведке, в процессе создания взрывных скважин, при инженерных геологических изысканиях, геологических съемках и разработке полезных ископаемых.

Шнековые буровые установки в процессе работы разрыхляют и дробят породу, а затем перемещают полученное сырье на поверхность через специальный шнековый транспортер. Основные этапы технологии включают три ключевых момента: процесс охлаждения инструмента, который участвует в разрушении породы, подъем разрушаемой породы и укрепление стенок полученной скважины с помощью поднятых материалов.

Шнековое бурение осуществляется с помощью бурового инструмента, который бывает трех типов. Это буровая техника — это обычные шнеки с долотом, магазинные шнеки с коронкой, а также обычные и полые колонны с съемным долотом и съемным керноприемником.

Для работы с рыхлыми породами чаще всего применяют двух- или трехлопастные долота, которые имеют спиральные или плоские лезвия. В случае работы с породами средней жесткости более требуются долговечные инструменты, соответственно, используют долоты округлой формы, насыщенные твердыми сплавами.

В процессе работы применяются высокотехнологичные специальные установки. Поскольку скорость бурения достаточно велика, требования к установкам включают мобильность и высокую транспортируемость. Такие установки могут быть как переносными, так и самоходными.

Основное главное преимущество шнекового бурения заключается в том, что стены скважины автоматически удерживаются за счет поднятой породы, которая способна предотвращать их обрушение. Это происходит благодаря тому, что порода, поднимаемая шнеком, как бы «втирается» в стены скважины, создавая эффект своеобразной «оштукатурки.»

Важно отметить, что хотя процесс бурения высокотехнологичен, он остается достаточно простым с организационной точки зрения. Риски обрушения снижаются до минимума, что делает шнековое бурение доступным в любое время года. Мыслимо проводить работы под автомобильными и железными дорогами, зданиями и другими сооружениями без значительного влияния на поверхность.

Технология бурения шнеком

Процедура бурения скважин на воду, описанная ранее, имеет множество положительных сторон, одной из которых являются высокие темпы работ.

При бурении происходит одновременно укладка стен скважины, что помогает предотвратить ее обрушение. Конструкции стенок скважины могут быть изготовлены из бетона или металла. При бурении с использованием винтового шнека нет необходимости в промывке колодца в процессе проведения работ.

Данный метод бурения применим только для скважин с небольшим дебитом. Разрушенный грунт извлекается из забоя с помощью винтового шнека. Шнек представляет собой бурильную трубу, полностью обвивающуюся стальной лентой.

Шнековое бурение предполагает использование механизмов, которые оснащены подвижным вращателем. Шнеки могут соединяться резьбой или специальными фигурными элементами. Максимальный шаг подачи в процессе работ ограничивается 15 м.

Обсуждаемые шнеки имеют полости и оборудованы реверсивными замками, которые могут быть оснащены различными долотами. Используемая в замковых соединениях сталь отличается высокой износостойкостью, что значительно сокращает время, необходимое для бурения.

Что касается видов шнековых буров, если бурение производится в мягких и рыхлых грунтах, лопасти долота должны быть расположены под углом 30-60° относительно забоя. Когда же бурение проводится на более плотных грунтах, к примеру, с гравием и галькой, угловое расположение лопастей долота должно быть в 90° от забоя. Угол наклона лопастей при проведении работ определяется твердостью земли, с которой планируется работа.

Когда обустраиваются фонтанные скважины, режущие элементы инструмента выделяют высокие температуры из-за разрушающего действия на породу.

Расход как правило составляет примерно 0,2-0,4 от пространства в объеме. При этом скорость вращения бурового инструмента должна оставаться в пределах 150-200 об./мин.

Если используется шнек диаметром 100 мм, частота вращения не должна превышать 500 об/мин.

При обустройстве скважин на воду, шнеки с центральным каналом признаны наиболее эффективными. Это связано с возможностью транспортировки воздуха или воды с помощью гидронасоса, что позволяет существенно снизить трение в процессе.

Метод шнекового бурения включает углубление до 50 м. В редких случаях этот метод можно использовать для бурения до 120 м. Если планируется работа с глубокими скважинами, шнековое бурение часто сочетается с другими видами бурения.

Таким образом, шнековое бурение возможно с использованиением технологии обсадных труб. В качестве альтернативы можно применять бетонирование стен колодца под давлением и сверху. Данный метод может обеспечить скорость прохода в сутки до 30 м.

Схема шнековой буровой установки включает:

В буровых установках для шнекового бурения используются литые головы, режущие элементы и хвостовик. Рабочие поверхности лопастей нередко оснащаются твердым сплавом. Если перед бурением в данной зоне были обнаружены твердые породы, буровая головка должна быть с техническими алмазами.

Оборудование

Ключевые компоненты шнекового бурения включают в себя шнек и породоразрушающий инструмент: долото, бур или забурник.

Шнек представляет собой трубу с приваренной по наружной стороне стальной спиральной ребордой с шагом от 60% до 90% диаметра шнека. Шнек передает вращение на породоразрушающий инструмент и позволяет поднимать разрушаемый грунт с забоя.

В качестве породоразрушающего инструмента применяются различные конструкции 2-х и 3-х лопастных долот, забурников и буров. Диаметр долота (забурника и других аналогов) должен быть на 15-20 мм больше диаметра шнека. Это сделано для уменьшения трения реборды о стенки скважины, тем самым сохраняя скорость бурения и увеличивая срок службы реборды.

Выбор инструмента зависит от конкретных условий на участке бурения.

К породоразрушающему инструменту для шнекового бурения относятся:

Лопастные буры;
2-хлопастные долота;
3-хлопастные долота;
Забурники (открывающиеся, глухие, под закачку раствора, проходные и т.д.)

Буровая головка и шнек могут представляться как единой конструкцией (шнекобур), так и в виде отдельных модулей. Оборудование считается правильно подобранным, если межвитковое пространство заполнено транспортируемым грунтом на 30-40% объема (не более 1/3) — это позволяет хорошо охлаждать шнек за счет быстрого прохода вглубь и потока породы, имеющего разную температуру. Шнеки диаметром 100мм обеспечивают определенную частоту вращения, а модули более крупных размеров 150-200мм работают на меньших скоростях. Частота вращения шнековой колонны определяется конструкцией ПРИ, типом, моделью, техническим состоянием буровой установки и множеством других факторов.

Оборудование может быть различных типов:

Ручное – компактное и легкое (вес 50-80 кг), рекомендуется для бурения водных скважин и других целей. Возможна комплектация электромотором. Подходит для использования в закрытых и ограниченных помещениях, таких как подвалы и гаражи.
Передвижные легкие – агрегаты весом до 1 т, которые устанавливаются на грузовики или легковые прицепы. Часто можно встречать малогабаритные шнековые установки, находящиеся в кузове пикапов, которые обеспечивают высокую производительность и сокращенные сроки бурения.
Тяжелые, передвижные – используются для промышленных нужд в виде буровых комплексов на платформах грузовых автомобилей или самоходных установок. Полная автономность и мобильность позволяют достичь больших глубин и работать с инструментом большого диаметра.

Для выполнения работы выбирается наиболее оптимальный вариант.