Шнековое бурение для создания скважин с питьевой водой на данный момент является наиболее распространённым методом в частном секторе. Если нужно сделать неглубокую водозаборную скважину, можно использовать ручной бур. Для облегчения этой задачи нередко применяются компактные буровые установки с приводом.
Мы объясним, почему данная методика так востребована. Рассмотрим, в чём её отличие от других подходов, когда и где её лучше всего использовать. В статье подробно представлены шнековая технология и устройство бурового оборудования, а также инструменты, используемые в ручном и механизированном бурении.
Краткое содержание статьи
Специфика шнекового бурения
Буровая скважина – это цилиндрическая выработка в земле, имеющая небольшую площадь поперечного сечения при значительной длине. Верхнюю часть называют устьем, боковые стороны – стенками, а низ выработки – забоем.
При выборе наилучшего способа бурения необходимо учитывать назначение скважины, необходимый диаметр и глубину. Важным фактором являются физико-механические характеристики горных пород, которые предстоит преодолеть при создании водозаборной скважины.
Также играет роль технико-экономическая целесообразность бурения в конкретных условиях. Этот этап проектирования скважин критически важен, так как в процессе этого анализа определяются основные технологические решения: вид масла и режимы работы бурового устройства.
Технико-экономическую эффективность шнекового бурения в свою очередь определяют качество получаемой скважины, её долговечность, сроки создания и стоимость.
При разработке и бурении водозаборных скважин необходимо акцентироваться на их продолжительной эксплуатации. Важным аспектом является способность поддерживать постоянный дебет и стабильную водопроницаемость в зоне забоя на протяжении длительного времени.
Процесс бурения скважины включает в себя несколько этапов:
- Разрушение горной породы на забое – отделение фрагментов от общего массива.
- Транспортировка отработанного грунта на поверхность.
- Подготовка скважины к эксплуатации: очистка, обустройство ствола и промывка водозаборной выработки.
Эффективность бурения напрямую зависит от заложенных в природе физико-механических признаков, таких как плотность, пористость, водопроницаемость несвязных грунтов, а также консистенция глинистых материалов.
Шнековое бурение подходит для создания скважин диаметром от 60 до 200 мм и глубиной до 80 метров в несвязных и связных грунтах (Ⅰ-Ⅲ категории по буримости). В скальных породах средней твёрдости (Ⅳ-Ⅵ категория) применение шнека становится неэффективным.
Для проработки скальных пород, имеющих монолитную структуру и кристаллические связи между частицами, этот метод не подходит. Чем более прочные минеральные зерна присутствуют в породе, тем больше усилий требуется для их разрушения.
Преимущества и недостатки метода
Шнековый метод используется в различных отраслях, включая промышленность, гражданское строительство и ручное бурение. Его ключевая особенность заключается в том, что разрушённая порода выводится на поверхность с помощью самих шнеков, а не с помощью промывочных жидкостей или газожидкостных смесей.
Существует два типа шнекового бурения: вертикальное и горизонтальное. Первый метод применяется для создания водозаборных скважин и формирования отверстий для свай. Второй используется для прокладки инженерных коммуникаций без копки траншей.
Вращательное бурение мягких пород демонстрирует высокую скорость и доступность по сравнению с другими способами.
Этот метод обеспечивает быструю проходку в несвязных грунтах на глубину до 50-80 метров, что позволяет одновременно оформлять стенки выработки путём установки обсадных труб.
Дополнительным преимуществом является извлечение отработанного грунта на поверхность без подъёма инструмента. Кроме того, отсутствие необходимости в промывочной жидкости делает шнековое бурение эффективным в регионах с нехваткой воды и в условиях низких температур.
В настоящее время шнековые агрегаты применяют для:
- Создания индивидуальных водозаборных скважин;
- Возведения фундаментов на винтовых и буронабивных сваях;
- Установки ограждений и бетонных опор;
- Бестраншейной прокладки коммуникаций;
- Строительства неглубоких колодцев и приямков.
Однако есть и недостатки. Шнековые установки не могут пробурить скважину в твёрдых породах. При работе с насеченными и полутвёрдыми глинистыми материалами с известняковыми прослойками могут возникнуть сложности, а при бурении абразивных пород наблюдается высокий расход бурового инструмента.
К тому же существует ограничение по максимальной глубине бурения. Создать скважину глубже 80 метров крайне затруднительно с помощью этого метода.
Технология вертикального бурения
Шнек – это прочная бурильная труба с навитыми спиральными лопастями, которая функционирует как вертикальный винтовой конвейер. Под действием осевой нагрузки рабочая часть бурового агрегата внедряется в породу, разрушая её за счёт резания и разрыхления. В это время шнек поднимает отработанный грунт.
Процесс очистки скважины осуществляется непрерывно в то время, как порода разрушается. Отколотый от забоя грунт попадает на быстро вращающийся шнек.
При помощи центробежных сил разрыхлённый материал поднимается по лопастям буровой колонны. Подъём происходит за счёт скольжения вокруг спирали, так как трение между грунтом и шнеком ниже, чем между грунтом и стенками скважины.
Таким образом разрушенная порода транспортируется к поверхности в измельчённом виде и выбрасывается через устье скважины. При нормальных условиях транспортировки заполнение межвиткового пространства составляет 30-40% от общего объёма.
Параметры шнековой колонны должны быть такими, чтобы обеспечивать быстрый подъём всей массы вынесенного грунта. Тем не менее, часть разрыхлённого груза может осыпаться обратно на забой, что требует более тщательной очистки ствола и обязательной промывки по завершении бурения.
Горизонтально направленное бурение шнеком
Для укладки инженерных коммуникаций под различными препятствиями (например, автомагистралями, железными дорогами или лесными массивами) актуально использование горизонтально направленного шнекового бурения.
В начале работ создаются два котлована – стартовый и приёмный. Они должны находиться на одном уровне с проектируемой скважиной. Затем в рабочий котлован опускают необходимое оборудование.
Для горизонтального шнекового бурения используют крупногабаритные установки с подвижным буровым вращателем, который обладает высоким крутящим моментом.
Это оборудование имеет больший диапазон подачи и оснащено устойчивой к износу буровой головкой из высоколегированной стали. Также на установке предусмотрен зонд для отслеживания процесса бурения. Оператор получает сигналы на монитор, что позволяет ему контролировать процесс и корректировать направление или угол наклона буровой головки.
Когда шнек достигает приёмного котлована — конечной точки по проекту, бур снимается, и вместо него устанавливается расширитель и труба. После этого запускается реверсивное вращение лопастей, чтобы затянуть трубу в готовую скважину. В завершение шнековая установка извлекается из стартового котлована.
Бестраншейный метод позволяет прокладывать трубы под уровнем грунтовых вод на длину до 80 метров. При этом все трудные операции выполняются без необходимости копать траншеи, что значительно сокращает сроки выполнения и снижает затраты.
Горизонтальное шнековое бурение применяется для укладки напорных трубопроводов и установки систем связи в местах, где другие методы труднелоги. Основное преимущество этого метода – его экономическая эффективность. Кроме того, для устойчивости готовой выработки нет нужды использовать бентонит или иные полимеры.
Особенности бурения в различных породах
Основные параметры бурения – осевая нагрузка и частота вращения шнека. При увеличении нагрузки скорость бурения тоже поднимается, что может привести к аварийным ситуациям.
Поэтому обязательно необходимо контролировать, чтобы объем удаляемой шнеком породы за единицу времени не превышал производительности транспортёра, иначе могут возникнуть засоры на витках.
Скорость шнекового бурения зависит от свойств грунтов, диаметра и глубины скважины, числа вращений колонны, осевой нагрузки на забой и конструкции применяемого инструмента.
Чаще всего пластичные глинистые породы, рыхлые и среднеплотные пески бурятся без дополнительной осевой нагрузки. Шнековый инструмент проникает в грунт под своим собственным весом и за счёт реактивного усилия, которое возникает при помещении отработанного грунта к устью скважины.
Осевые нагрузки до 5 кН обычно применяются на этапе начального бурения, когда осуществляется работа с твердыми супесями, суглинками или глинами. Частота вращения при этом не должна превышать 1,7-3,3 с -1.
При более высоких частотах могут возникать вибрации, приводящие к потере соединений в буровой колонне. В результате буровой снаряд может застрять на забое, что потребует повторного бурения. А на малых частотах значительно усложняется подъем отработанного грунта.
С увеличением твердости岩石, осевые нагрузки также становятся выше. Бурение в гравии, щебне, мерзлых суглинках и водонасыщенных песках, а также в алевролитах с кварцевыми включениями проводится с осевым давлением от 8 до 10 кН на долото и с частотой вращения колонны от 1,3 до 2,2 об/с.
Галечники и породы с валунами не подвергаются бурению шнековым методом. Эти округлые обломки скальных пород разрушены долотом и поднимаются на поверхность с помощью желонки.
В процессе бурения в песках различной плотности и насыщения водой, а также в гравийных и щебенистых слоях, используйте высокие обороты при одновременном укреплении стенок скважины обсадными трубами.
Проблемы могут возникнуть при шнековом бурении мягкопластичных и текучепластичных глин, когда образуются пробки. Если глинистые частицы начинают прилипать к шнеку, это затрудняет дальнейшее углубление скважины и подъем отработанной породы на поверхность.
Для предотвращения этого затруднения уменьшают скорость бурения до минимума, раскачивают колонну и добавляют воду в скважину. Также полезно периодически поднимать бурильный инструмент над землей и очищать его от налипшего суглинка.
Инструмент для шнекового бурения
Инструменты для шнекового бурения скважин различаются по конструкции в зависимости от количества витков и формы режущей части. Для работы в твердых и полутвердых супесях и суглинках часто применяют буровые агрегаты с кромкой, к которой добавлены дополнительные резцы.
При бурении водозаборной скважины для частных нужд обычно используют один стартовый шнек без дополнительных элементов, поскольку предстоит пройти через осадочные породы, как связные, так и несвязные. При заглублении инструмент просто удлиняют буровыми штангами.
В этом случае буровой снаряд вытаскивают из скважины на каждые 0,5-0,7 м, чтобы очистить бур и забой от разрушенных пород. Этот метод более экономичный, но требует больших трудозатрат.
Для работы с валунами и галькой, которые могут быть в осадочных грунтах, применяют ударно-канатный метод. Обычно для этого используют долото из инструментальной стали. Этот остро заточенный бур сбрасывается с усилием на забой до тех пор, пока не будет разрушена «твердая преграда».
После разрушения гальки или валуна осколки поднимают на поверхность с помощью стакана (колонковой трубы) или желонки, после чего вновь переходят на шнековый метод. Обычно для бурения используются различные методы в комплексе.
При бурении рыхлых песков и мягких суглинков применяют шнековые буровые снаряды с развернутыми лопастями под углом от 30 до 60°, в то время как для работы в связных глинистых породах устанавливают под углом 90°.
Конструкция шнека включает трубу или длинный сплошной стержень с навитой спиралью.
Эта спираль получается путем намотки высокопрочной стальной ленты диаметром 5-7 мм на винтовую оправку, после чего её натирают на трубе или стержне и приваривают.
Чем больше диаметр оснований, тем меньше эффективная способность шнека по транспортировке. Однако диаметр изделия строго ограничен прочностью шнека и технологией его изготовления.
На сегодняшний день производят два типа шнеков:
- С центральным отверстием — полые;
- Утяжеленные — без отверстия.
Чтобы уменьшить износ винтового транспортёра при бурении в абразивных породах, на наружную кромку навивают полосу из стали или наплавляют слой металла.
При высоких скоростях шнекового бурения на снаряде устанавливается специальный переходник с двухзаходной навивкой стальной полосы, что позволяет минимизировать трение породы о винтовой транспортёр.
На конце трубы с навитой спиралью обязательно привариваются соединительные элементы. Существует два типа соединений для шнеков: безрезьбовое и резьбовое. В случае безрезьбового соединения шнеки скрепляются муфтовыми замками и удерживаются металлическими пальцами с фиксаторами, в то время как резьбовое соединение осуществляется с помощью ввинчивания.
Резьбовое соединение шнеков в бурильной колонне позволяет механизировать процесс соединения и разъединения во время операций спуска и подъема, а также при подаче жидкости на забой. Однако это имеет значительный недостаток — нет возможности обратного вращения шнеков, поэтому безрезьбовое соединение более популярно.
Специальные буровые установки обычно включают разные диаметры шнеков.
Наиболее эффективными являются шнеки с центральным отверстием, через которое к забою подается воздух или вода, что позволяет снизить трение породы о винтовой транспортёр.
Полые шнеки с резьбовым соединением применяются при бурении с продувкой, для откачки воды в ходе проходки цилиндрических скважин, для установки зарядов в геофизические скважины, а также для закачки бетона для свай. Их также можно использовать в качестве обсадной колонны.
При бурении сплошным забоем центральный канал перекрывают буровым инструментом, прикрепленным к канату.
Обзор буровых станков
Для шнекового бурения используются как ручные инструменты, так и механизированные установки. Самой простой конструкцией является ручной земляной бур, состоящий из стержня или трубы с винтообразным ножом и жестко закрепленной Т-образной ручкой.
Инструмент такого рода ввинчивается в землю, как штопор. Во время бурения его удлиняют при помощи штанг. Ручные земляные буры делают разборными для удобства транспортировки на легковых автомобилях и для возможности изменения длины шнековой колонны.
С помощью ручного инструмента возможно бурить отверстия глубиной до 2 метров и диаметром не более 20 сантиметров. Также имеются мотобуры с бензиновым или электрическим приводом. Их конструкция включает винтовой транспортёр (шнек) и двигатель с редуктором. Вращение вала мотора обеспечивает движение шнека.
С использованием приводного инструмента, при наличии буровых штанг для наращивания, возможно бурить скважины глубиной до 25 метров. С диаметром до 30 сантиметров его применяют для установки освещения на улице, монтажа столбов ограждений, шурфов для проверки фундаментов и грунтового основания.
Бурение скважин на воду в частных домохозяйствах и создание отверстий большого диаметра под свайные фундаменты производят с помощью переносных малогабаритных агрегаций или буровых установок на мобильной технике.
Мобильные агрегаты представляют собой машины небольшого размера с электрическим или бензиновым двигателем. С их помощью можно оперативно пробурить скважину для дачи или подготовить множество ям для различных опор.
Часто такие буровые машины производят в виде прицепа к легковым автомобилям для облегчения транспортировки к месту работ.
В гражданском и промышленном строительстве для создания глубоких и широких выработок в работе участвует специализированное шнековое оборудование, закрепленное на мобильных платформах — грузовых автомобилях и тракторах.
Эта техника используется для установки опор высоковольтных линий электропередач и столбов уличного освещения, а также для монтажа заборов стадионов и промышленных объектов. Кроме того, шнековые буровые установки на передвижной технике позволяют создать шпунтовое ограждение котлованов и устанавливать винтовые сваи.
Полезное видео по теме
Шнековое бурение для водозаборной скважины глубиной 20 метров на территории частного домохозяйства:
В этом видео демонстрируется технология горизонтального шнекового бурения для прокладки коммуникаций под автомагистралью:
Устройство свай с помощью непрерывного шнека большого диаметра с центральным каналом. Для этой работы используется буровая установка Bauer BG-30 и высокопроизводительный стационарный бетононасос Liebherr:
Шнековый метод позволяет достигать высоких темпов бурения. Разработка скважины и подъем отработанного грунта производятся одновременно и непрерывно, что позволяет экономить время, усилия бурильщиков и финансовые вложения в проект. Именно поэтому шнековое бурение пользуется большой популярностью.
Пожалуйста, оставляйте комментарии в форме ниже. Расскажите, имели ли вы опыт работы с ручным шнековым инструментом или использовали маломасштабный буровой станок с шнеком. Поделитесь технологическими деталями, которые могут быть полезны другим посетителям сайта.
