Шнековое бурение: особенности технологии и ее достоинства, этапы работ

Бестраншейные методы ремонта трубопроводов

Эти технологии появились в середине прошлого, XX столетия, но их значение с каждым годом только возрастает, а для нашей страны особенно. Причина – в крайне неблагополучном состоянии инженерных сетей. Согласно статистике среднее число аварийных повреждений трубопроводов на единицу длины в РФ как минимум вдвое выше, чем в странах Западной и Центральной Европы. Необходимость предупреждения преждевременного выхода из строя коммунальных трубопроводов и оперативной ликвидации аварийных ситуаций как никогда высоко подняли значение бестраншейных методов их ремонта. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются три из них:

• нанесение цементно-песчаного и цементно-полимерного покрытия;
• восстановление трубопроводов полимерными рукавами;
• ремонт трубопроводов методом «труба в трубе»

Шнековое бурение скважин

Бурение скважин шнековым методом применяется в основном для песчаных и гравийно-песчаных грунтов. Оно производится установкой, которая имеет буровую головку, следом за которой идут шнеки, отводящие грунт. У шнекового бурения скважин есть несомненное преимущество по скорости проходки. Кроме этого, одновременно с бурением продавливаются и укладываются стенки скважины, которые удерживают породу и предотвращают ее обрушение. Устанавливаемые стенки скважины могут быть как бетонными, так и стальными. При шнековом бурении скважин отпадает необходимость в промывке скважины во время бурения.

Такой метод бурения используется только для скважин с небольшим дебетом. Обычно шнековое бурение скважин на воду производится в мягком, рыхлом или мерзлом грунтах. При помощи винтового шнека из забоя удаляется выбранная при бурении порода. Шнек – это бурильная труба, вся длина которой обвита стальной лентой. Бурение шнековым методом производится буровыми механизмами, имеющими подвижный вращатель. Шнеки соединяются резьбой или элементами, имеющими фигурное сечение. Ход подачи при бурении шнековым методом от 1,9-15 м.

Полые герметичные шнеки оборудованы реверсивными замками, имеющими различные долота. За счет высококачественной стали замковых соединений, имеющих высокую износоустойчивость, время на бурение значительно сокращается. При этом производительность работ возрастает.

При шнековом бурении скважин на мягких и рыхлых грунтах лопасти долота должны находиться под углом 30-60о по отношению к забою. На плотных грунтах или гравийно-галечных отложениях лопасти долота должны иметь угол 90о по отношению к забою. Установка угла при бурении зависит от твердости пробуриваемого грунта.

Режущие элементы бура охлаждаются за счет разрушаемого грунта. При этом разрушенная порода поднимается по спирали шнека. Объем разрушаемой породы при средней скорости транспортировки должен составлять не более 0,2-0,4 от общего объема пространства. При этом частота вращения бурового инструмента должна быть 150-200 об/мин. Для шнеков, имеющих размер до 100 мм частота вращения не должна превышать 500 об/мин.

При бурении скважин шнековым методом наиболее эффективными считаются шнеки, имеющие центральный канал. Через него подается воздух или вода при помощи гидравлического насоса, что снижает трение при бурении. Обычно шнековое бурение скважин производят на глубину до 50 м. В исключительных случаях бурение шнековым инструментом может производиться до глубины 100-120 м.

При бурении глубоких скважин шнековое бурение обычно комбинируют с некоторыми другими видами.

При производстве шнекового бурения скважин может быть применена технология с использованием обсадных труб или же тампонированием стен скважины бетоном под давлением с поверхности. При данном виде бурения скорость прохождения грунта в сутки может доходить до 30 метров.

В станках для шнекового бурения скважин применяются литые буровые головки, имеющие режущие лопасти и хвостовик. Режущая кромка лопастей обычно должна быть наплавлена твердым сплавом. В случае бурения на особо твердых породах буровая головка должна быть оснащена техническими алмазами.

Глубина шнекового бурения скважины проводится на размер одной штанги, затем станок отключается, штанга должна быть отсоединена от шпинделя, поднята наверх и наращена новой штангой. После этого бурение может быть продолжено.

Единственный недостаток шнекового бурения скважин заключается в том, что пробуренная скважина имеет, как правило, очень маленький дебит .

Обзор буровых станков

Для шнекового бурения задействуют как ручные инструменты, так и механизированные установки. Самым простым по конструкции является ручной земляной бур. Он состоит из стержня/трубы с винтообразным ножом и жёстко зафиксированной Т-образной ручки.

Бурильный инструмент такого типа ввинчивают в грунт подобно штопору. В процессе проходки выработки его наращивают штангами. Ручные земляные буры изготовляют разборными, чтобы было максимально удобно их перевозить в легковом автотранспорте. Также это позволяет изменять длину шнековой буровой колонны.

Ручным инструментом можно делать отверстия глубиной до 2-х метров при диаметре не более 20 сантиметров. Существуют и мотобуры с бензиновым или электрическим приводом. Их конструкция включает винтовой транспортёр, то есть шнек, и двигатель с редуктором. Вращение вала мотора обеспечивает движение шнека.

С использованием приводного инструмента при наличии буровых штанг для наращивания можно бурить скважины глубиной до 25 метров. При диаметре до 30 сантиметров его используют под установку опор освещения на улице, для монтажа столбов ограждений, шурфов для осмотра фундамента, грунтового основания.

Бурение скважин на воду на территории частных домохозяйств и формирование отверстий большого диаметра под свайный фундамент выполняют переносными малогабаритными станками или буровыми установками на передвижной технике

Мобильные агрегаты представляют собой станки небольших размеров с электро- или бензомотором. С их помощью можно быстро пробурить скважину для дачи подготовить большое количество ям для опор различного функционального назначения.

Нередко такие буровые станки изготовляют в виде прицепа к легковым авто, чтобы облегчить транспортировку к месту проведения работ.

В гражданском и промышленном строительстве для формирования выработок большой глубины и диаметра задействуют шнековое спецоборудование, зафиксированное на передвижной технике – грузовых автомобилях, тракторах.

Его используют при монтаже опор высоковольтных линий электропередач и столбов уличного освещения, при установке опор заборов стадионов, спорткомплексов, промышленных объектов, аэродромов. Помимо этого, с помощью шнековых буровых установок на передвижной технике строят шпунтовое ограждение котлованов, ставят винтовые сваи.

Технология бурения скважин на известняк

В пределах Московской области водоносные известняки залегают крайне неравномерно, от 20 м на юге, до 200 м на севере, однако наиболее распространено распространение артезианского горизонта на глубине свыше 100 м.

Благодаря большой глубине залегания артезианских вод и, соответственно, высокому пластовому давлению водяная скважина на известняк может быть напорной, иногда самоизливающейся.

Преимущества артезианской скважины:

• возможность бурения в любом месте;
• стабильное качество воды;
• долгий срок эксплуатации;
• высокая производительность.

Недостатки артезианской скважины:

• технологическая сложность бурения;
• высокая стоимость бурения;
• возможна высокая минерализация воды;
• юридическим лицам необходима лицензия на пользование недрами.

Благодаря повсеместности распространения водонасыщенных известняков, а так же высокому дебиту артезианских скважин, такая скважина является оптимальным решением для монументальных строений, жилищных кооперативов, а так же промышленных целей.

Бурение артезианских скважин является достаточно сложным процессом, в связи с глубиной и твердостью горных пород. В зависимости от геологических условий в разных районах Московской области в процессе бурения возникают те или иные проблемы.

В Волоколамском районе трудности могут создать отложения гранита, встречающиеся вблизи Сычево и Чередово. Хотя в ряде населенных пунктов водоносные известняки расположены не глубоко, от 30 до 50 метров. Так же не глубоко залегают водоносные известняки вблизи русла Москвы-реки в Воскресенской районе. В Каширском районе первые известняки залегают на глубине порядка 40 м, однако они не обладают достаточной водоотдачей и лишь осложняют дальнейшее бурение до водонасыщенных карбонатных пород, расположенных на глубине 70 – 140 м. К тому же в разрезе встречаются неустойчивые породы, что приводит к увеличению расхода бурового раствора. Необходимо выбирать обсадных трубы большего диаметра для перекрытия этих пород. В Лотошинском, Рузском и Одинцовском районах бурение осложняется попадающимися в породе валунами. В разрезе пород Чеховского района встречаются осыпающиеся породы известняка, требующие надежной металлической обсадки.

Оптимальным решением для бурения артезианских скважин является роторное бурение. Благодаря одновременному воздействию на породоразрушающий инструмент осевой нагрузки и крутящего момента, производительность бурения значительно повышается.

Гидроударное бурение подходит для пород V-XII категории. Гидроударник устанавливается между колонковым набором и бурильными трубами. По средствам бурильных труб на долото подается буровой раствор и вращение. Промывочная жидкость удаляет шлам с забоя, охлаждает долото, а так же является приводом ударной машины. При увеличении расхода бурового раствора возрастает энергия единичного удара, что приводит к увеличению интенсивности разрушения породы.

В относительно мягких породах увеличение скорости осевой нагрузки увеличивает скорость бурения, а в твердых абразивных породах при повышении осевой нагрузки повышается износ породоразрушающего инструмента.

В твердых породах целесообразно применение пневмоударника. Пневмоударное бурение является разновидностью ударно-вращательного, с применением погружного бурильного молотка – пневмоударника, работающего на энергии сжатого воздуха. Поршень-боек пневмоударника наносит поступательно-возвратные движения по хвостовику, являющемуся частью долота, которое вращается вместе с пневмоударником. Очищение забоя от выбуренной породы происходит с помощью продувки скважины. По мере углубления скважины буровой снаряд наращивается.

Схема пневмоударного бурения представлена на рисунке 11.

Рисунок 11. Схема пневмоударного бурения 1 – долото, 2 – пневмоударник, 3 – буровой инструмент, 4 – вращатель с электромотором, 5 – механизм подачи, 6 – шланг подачи сжатого воздуха, 7 – компрессор, 8 – пульт управления.

Принцип ведения шнековой разработки

Для осуществления указанной операции используется специальное оборудование, которое конструктивно отличается от стандартной буровой установки. Обычно оно монтируется на передвижную платформу, чтобы можно было оперативно менять местоположение при необходимости перенести спектр работ на несколько метров дальше.

Самоходка справится с этой задачей гораздо быстрее, чем можно осуществить перенос стационарного агрегата. Простота организации рабочего процесса является главным преимуществом, из-за которого собственно метод и является столь популярным при проведении разведывательных операций. Причем за одну смену можно пройти до трехсот метров вглубь, если попадется благоприятная местность с нормальной твердостью почвы.

Технология бурения скважин шнековым способм подразумевает проведение следующих операций:

• • Доставки рабочего оборудования на место предполагаемого бурения и перевод установки из транспортного положения в рабочее.
• • Начало всверливания бура в землю. При этом повышенный крутящий момент будет быстро разрушать горную породу, а специальная стальная лента послужит для доставки отработанных элементов на поверхность.
• • По мере прохождения бура вглубь, в работу будут включаться все новые и новые шнеки, что значительно ускорит операцию.

При этом во время работы нужно обязательно учитывать твердость породы, так как от этого будет зависеть положение резцов бура по отношению к рабочей плоскости. Неправильная установка может привести к поломке буровой головки, что заставит прерывать процедуру на некоторое время. А любые простои в работе в итоге оборачиваются дополнительными затратами. Шнековый бур для бурения скважин представляет собой трубку, на которую наварены специальные винтообразные элементы, располагающиеся по спирали.

Такой тип устройства наилучшим образом подходит для работы, так как позволяет быстро вкручиваться в горные породы и разрушать их с минимальным сопротивлением. Для этого понадобится использовать самые твердые марки стали, чтобы они не гнулись при контакте с прочными слоями. Но металл должен обладать и определенной степенью пластичности, потому что в противном случае он будет слишком ломким.

Шнековый способ бурения скважин является самым старым из всех известных на сегодняшний день. И технология оказалась настолько удачной, что сохранилась до сих пор, в несколько более совершенном виде. Промышленники по достоинству ценят быстроту осуществления работ, поэтому метод распространен повсеместно. Единственным недостатком является сильное ограничение по максимальной глубине, которое не позволяет ограничиться применением только этой технологии.

Что это такое?

Характерной особенностью данного способа является извлекаемый на поверхность керн. Он представляет собой столб материала цилиндрической формы, который отбирается на пробу и транспортируется на поверхность при помощи подъемника шнекового типа. Пласты видны в разрезе, чего не может дать ни один известный способ бурения на сегодняшний день. Например, именно таким методом была пробурена Кольская сверхглубокая скважина. Кроме того, в процессе применения при пробуривании скважин на воду его надежность составляет 100%.

Если говорить о технологических особенностях колонкового бурения, то к ним относят несколько факторов.

• Для такого типа бурения подходят практически все грунты. То есть не только на плотном, но и на сыпучем грунте можно использовать данный метод. А наличие довольно большого количества буровых коронок дает возможность использовать его как в трудноотбираемых породах, так и применять для неосложненных условий.
• Скважинный ствол в результате получается максимально ровным из-за особенностей механизма бурения. А современное оборудование позволяет осуществлять работы даже на местности, где присутствует неровный ландшафт.
• Трубы, которые формируют колонну, можно применять повторно, ведь их срок службы является неограниченным.
• Оборудование для бурения такого типа предполагает замену коронки время от времени, ведь по мере применения она приходит в негодность и становится тупой. Чтобы увеличить срок ее использования, перед применением новой насадки потребуется немного продолбить грунт, что позволит использовать буровые коронки дольше обычного.
• Чтобы такой тип бурения был идеальным, площадка, на которой располагается бур, должна быть в ровной плоскости горизонтального типа.

К недостаткам данного способа относятся:

• малое сечение бурения, из-за чего нельзя применять мощные погружные насосы;
• может возникать заклинивание керна, что увеличивает временные затраты на реализацию такой технологии.

А также существенным недостатком является быстрое затупление коронки из-за перегрева в работе с породами высокой твердости.

Технологические особенности проведения работ

Для разработки скважины используют буровую установку. Перед началом работ роют приямок размером 1,5х1,5 м и глубиной 2м. Он нужен для того, чтобы система водоснабжения оказалась ниже уровня промерзания почвы.

В центр приямка устанавливают бурильное оборудование. Процесс бурения осуществляют разными способами, выбор которого зависит от типа почвы и глубины залегания вод, но всегда состоит из трех этапов:

• точечное целенаправленное разрушение почвы;
• выемка лишнего грунта на поверхность;
• прочистка и укрепление ствола.

Чтобы избежать обвала грунта со стен, колодец укрепляют обсадными трубами. Промежуток между наружной частью трубы и земляным слоем заливают цементным раствором для придания прочности конструкции.

Внутрь колодца устанавливается глубинный насос, с помощью которого вода подается наверх.

Рекомендации

Независимо от метода бурения, оборудование должно иметь режущие кромки, которые способны противостоять механическому воздействию. Для этого долото и края винтового резца наплавляются твердосплавным металлом, и применять нужно именно этот инструмент. Вынуть шнек на поверхность при окончании работ нужно аккуратно.

Только после этого устанавливаются обсадные трубы, которые могут быть металлическими или пластиковыми. При формировании обсадного трубопровода нужно обеспечить герметичность соединений. Если это стальные трубы, то лучше их сварить. ПНД имеют специальную резьбу, что упрощает задачу.

При подборе оснащения преимущество отдают пустотелым шнекам. Воздух способствует охлаждению. Если по каналу подавать воду, процедура облегчается за счет дополнительного размягчения грунта, что продлевает ресурс бура. Сухой грунт способствует быстрому износу рабочих граней.

Описанная технология подходит для самостоятельного применения, если речь идет о неглубоких скважинах. Когда это абиссинский колодец, проблем, скорее всего, не будет. Сложности начнутся, если требуется пробурить скважину на песок. Но если нужна артезианская вода, то бурение собственными силами практически невозможно, и придется нанимать бригаду специалистов и специализированную технику.

Преимущества бурошнекового метода

Траншейная технология прокладки коммуникаций считается морально устаревшей по экономическим и производственным причинам. Первая выгода шнекового горизонтального бурения — объем работ и количество нужных трудовых ресурсов. С бурильной установкой справляется одна бригада рабочих, а объем вынутой земли много меньше. При этом сроки строительства в зависимости от длины коммуникаций сокращаются в 2-20 раз.

Экономические затраты на горизонтальные направленные работы сокращаются на 30 %. При этом не нужно прерывать движение транспорта при прокладке труб под дорогами или реками, а железнодорожное и асфальтное полотно остается нетронутым.

Во время бурения экология не страдает, а сам процесс доставляет минимум неудобств людям. Риск возникновения аварий на участке сводится к минимуму благодаря использованию управляемых буровых головок.

Недостаток технологии горизонтального бурения заключается в невозможности работы на подвижных грунтах.

Шнековый способ бурения скважин на воду

Популярность этого способа бурения скважин под воду объясняется его высокой эффективностью и простоте реализации. Шнековая технология основывается на сверлении породы вращающимся приспособлением. Роль режущей кромки сводится к разрушению грунта по направлению движения. После этого он в измельченном состоянии выносится на поверхность спиральным шнеком. Следует сказать, что наверху оказывается только 40-50 % породы: остальная часть материала уходит на уплотнение стенок. Как результат, дополнительная обсадка стенок в этом случае не требуется. Обсадную колонну вводят внутрь шахты по окончанию процесса.

Есть также интересный вариант с ручным изготовлением скважины на верховодку. Для этого в продаже имеется несколько моделей портативных буровых станков, позволяющих сооружать скважины глубиной до 50 м, при условии наличия на участке легких и средних грунтов (кроме песчаных). Данные приспособления очень популярны среди дачников и владельцев загородных домов. Для разового использования ручной станок можно арендовать

При этом важно понимать, что работы по бурению скважин на воду артезианского типа выполняются совсем другим оборудованием.

Размеры шнековых буров и особенности

Применение различных по диаметру буров обусловлено способностью перегреваться. В соответствии с габаритами бурового инструмента определяется быстрота вращения.

Технология шнекового бурения на воду предполагает, что:

1. Если диаметр бура до 20 см, то скорость вращения должна находиться в диапазоне 150-200 оборотов в минуту.
2. Для диаметра до 10 см, скорость вращения за минуту может быть больше. Предел – 500 оборотов за 60 сек.

Данное соотношение скорости и диаметра нужно учитывать на этапе проектирования буровой установки, если она собирается собственными руками. В интернете можно найти рекомендации о том, как правильно произвести монтаж.

Технологии при бурение скважин шнеками

Основными параметрами при бурении выступают количество оборотов на вращателе и поперечная нагрузка на инструменте. Согласно опытным расчетам при проведения работ при бурении оптимальные обороты привода инструмента должна находиться в пределах 110-190 оборотов в минуту. На более низких оборотах снижается скорость и в целом ухудшается процесс извлечения керна, при очень больших – могут наблюдаться колебания инструмента.

Технология бурения на воду шнеками, как правило, не предполагает чрезмерных усилий на бур. В не плотные грунты инструмент практически без сопротивления внедряется под собственной массой за счет кручения и усилителя реактивной тяги, формирующегося при высвобождения грунта разбитого грунта. Создание дополнительной осевой нагрузки допускается на бурении в плотных, сухих глинистых и твердых породах.

Бурение скважин шнеками в зависимости от классификации породы предусматривает возможность использования разных режимов, дополнительных операций и элементов оборудования:

• Песчано-глинистые грунты: суглинки, супеси, песчаные глины хорошо поддаются бурению с использованием долот с двумя или тремя лопастями при средней частоте вращения около 150 об/мин без использования принудительной подачи и нагрузки бурового инструмента.
• Проходка плотных вязких глин сопровождается налипанием грунта на долото и шнеки, что значительно усиливает их трение о внутреннюю поверхность скважин и усложняет транспортировку породы. Поэтому бурение таких пород осуществляется при небольшой скорости подачи – до 14 сантиметров в минуту и максимальной частоте вращения. Дополнительные приемы, упрощающие процесс бурения шнеками в вязких грунтах – закачка воды в скважину, расхаживание колонны, включение режима вибрации, периодическая очистка шнеков от налипшей породы.
• Скважины в неустойчивых грунтах, плывунах и насыщенных водой песках бурятся на высоких оборотах рабочего инструмента – более 210 оборотов в минуту с быстрой его подачей и одновременной установкой обсадных труб.
• Для бурения твердых горных пород – аргиллитов, глинистых песчаников и сланцев используются долота с твердосплавными резцами. При этом создается нагрузка величиной до 20 кН, а частота вращения выдерживается в пределах 110-120 оборотов в минуту.
• Грунты с мелкими гравийно-галечными включениями проходятся с высокой частотой вращения, достигающей 290 оборотов в минуту. Возможность возникновения вибрации нивелируется установкой над долотом 2-3 утяжеленных шнеков.
• Для бурения более крупных валунно-галечных отложений используется невысокая частота вращения – 25-45 оборотов в минуту. В данном случае риск появления вибраций отсутствует, поэтому в применении тяжелых шнеков необходимости нет. В процессе бурения крупные валуны и галька смещаются в сторону или разрушаются буром.

Бурение шнеками с разной степенью эффективности применимо ко всем типам грунтов за исключением сплошных скальных пород. Однако наиболее часто эта технология используется для проходки скважин в рыхлых мягких грунтах, не содержащих больших объемов твердых включений.