Шнековое бурение скважин для получения питьевой воды на сегодняшний день является наиболее распространенным способом бурения в частном секторе. Для создания неглубокой водозаборной скважины можно воспользоваться ручным земляным буром. Однако для упрощения процесса часто используются компактные буровые установки с приводом.
В данной статье мы выясним, почему эта техника столь востребована, чем она отличается от других методов бурения, и в каких условиях ее эффективность особенно высока. Подробно обсудим шнековую технологию, конструкцию бурового оборудования, а также инструменты, используемые для ручного и механизированного бурения.
Характеристика шнекового бурения
Буровая скважина представляет собой цилиндрическую выработку в земле, которая при значительной длине имеет небольшое поперечное сечение. Начало скважины называется устьем, боковые поверхности — стенками, а дно — забоем.
Подбор оптимального способа бурения осуществляется с учетом назначения скважины, а также ее требуемых диаметра и глубины. При этом следует учитывать физико-механические свойства грунтов, которые необходимо преодолеть при создании водозаборной скважины.
Кроме того, важен технико-экономический анализ осуществимости бурения в конкретных условиях. Этот этап является ключевым при проектировании скважин, в ходе которого определяются основные технологические решения — тип использующегося оборудования и режимы бурения.
Оценка технико-экономической целесообразности шнекового бурения учитывает качество скважины, её долговечность, сроки строительства и стоимость.
При проектировочных работах и дальнейшем бурении водозаборных скважин нужно рассчитывать на долговечность эксплуатации. Не менее важны показатели стабильного дебета и постоянной водопроницаемости обводненной зоны в течение длительного времени.
Рабочий процесс бурения включает несколько операций:
- Разрушение породы на забое, что предполагает отделение частиц от массива.
- Подъем отработанного грунта на поверхность.
- Подготовка скважины к эксплуатации, включая чистку и обустройство ствола, а также промывку водозаборной работы.
Эффективность бурения зависит от природных физико-механических свойств, таких как плотность, пористость, водопроницаемость рыхлых грунтов и консистенция глинистых пород.
Шнековое бурение эффективно применять для создания скважин диаметром от 60 до 200 мм и глубиной до 80 м в несвязных и связных грунтах (Ⅰ-Ⅲ категория по буримости). Для бурения в скальных породах средней твердости (Ⅳ-Ⅵ категория) использование винтовых буров нецелесообразно.
Метод не подходит для преодоления твердых и монолитных горных пород, где микросвязи между частицами весьма крепки, и соответственно, процесс разрушения такой породы требует значительных затрат труда.
Плюсы и минусы шнекового метода
Шнековое бурение применяет как в промышленности, так и в гражданском строительстве, а также в ручном бурении. Уникальной чертой этого метода является извлечение разрушенной породы без применения промывочной жидкости или специальных газожидкостных смесей, вместо этого используются элементы шнекового бурового снаряда.
Существует два типа шнекового бурения: вертикальное и горизонтальное. Вертикальный метод применяется для создания водоносных скважин и формирования отверстий под сваи, тогда как горизонтальное используется для прокладки инженерных коммуникаций без разработки траншей.
Вращательное бурение в мягких грунтах является самым быстрым и экономически эффективным по сравнению с другими способами.
Этот метод позволяет достигать высокой скорости проходки в рыхлых грунтах на глубину 50-80 метров, при этом стенки выработки формируются незамедлительно за счет установки обсадных колонн.
Еще одно преимущество заключается в том, что отработанный грунт поднимается на поверхность без необходимости поднятия инструмента. Поскольку для шнекового бурения не нужна промывка, его можно успешно использовать в безводных регионах и в условиях низких температур.
В настоящее время шнековое бурение активно применяется для:
- Создания индивидуальных водозаборных скважин;
- Строительства фундаментов из винтовых и буронабивных свай;
- Установки ограждений и железобетонных опор;
- Бестраншейной прокладки инженерных сетей;
- Создания неглубоких колодцев и приямков.
Тем не менее, существуют и недостатки. Шнековые установки не могут бурить в очень твердых породах. Проблемы могут возникнуть при работе с жесткими и полутвердыми суглинками, глинам с известковыми прослойками, а также при бурении абразивных материалов, в которых наблюдается высокий износ бурового инструмента.
Кроме того, существуют ограничения по глубине; бурение скважин глубже 80 метров может вызвать трудности.
Вертикальное бурение выработок
Шнек — это высокопрочная бурильная труба, на которой намотана спираль, выполняющая функцию вертикального винтового подъемника. Под действием осевой нагрузки рабочая часть бурового снаряда проникает в породу, разрушая её методом резания и разрыхления. Одновременно шнек поднимает отработанный грунт по своей спирали.
Процесс чистки скважины продолжается непрерывно и параллельно с разрушением породы. Отделенный грунт попадает на быстро вращающуюся спираль шнека.
Благодаря центробежным силам разрыхленный грунт поднимается по лопастям буровой колонны вверх, используя скольжение по спирали, поскольку трение между грунтом и шнеком меньше, чем между грунтом и стенками скважины.
Таким образом, разрушенная порода доходит до поверхности в измельченном виде, выбрасываясь через устье скважины. При чистой транспортировке грунт занимает 30-40% от объема межвиткового пространства.
Параметры шнековой колонны должны обеспечивать быстрый подъем всего объема разрушенного грунта. Однако часть разрыхленного грунта может обратно осыпаться на забой. Поэтому во время шнекового бурения требуется тщательная прочистка ствола, а в конце необходимо проводить обязательную промывку.
Горизонтальное шнековое бурение
Для установки инженерных коммуникаций под различными препятствиями (автомагистралями, железнодорожными путями, лесными массивами) применяется горизонтально направленное шнековое бурение.
На первом этапе создаются два котлована: стартовый (рабочий) и приемный, находящиеся на одном уровне со спроектированной скважиной. Затем в рабочий котлован спускается необходимое оборудование.
Горизонтальное шнековое бурение требует использования крупных установок с подвижным буровым вращателем и высоким крутящим моментом.
Такое оборудование обладает большим ходом подачи и комплектуется износостойкой буровой головкой из высоколегированной стали. Также устанавливается зонд для повышения точности бурения; оператор на мониторе может контролировать процесс и вносить коррективы в направление и угол наклона буровой головки.
Когда шнек входит в приемный котлован — конечную точку согласно проекту, бур снимается, а на его место монтируется расширитель и труба. Затем запускается вращение лопастей в обратную сторону для затягивания трубы внутрь готовой скважины. В завершение бурильных операций шнековая установка извлекается из стартового котлована.
Бестраншейный способ позволяет проводить прокладку труб под коммуникациями на глубину до 80 м, не прибегая к трудоемким работам по разработке траншей, что существенно сокращает время выполнения и снижает затраты.
Горизонтальное шнековое бурение используется для укладки напорных трубопроводов и монтажа коммуникационных систем в областях, где другие методы нежелательны. Основным плюсом бестраншейного способа является экономия средств. Кроме того, для поддержания устойчивости готовой выработки нет необходимости в использовании бетонита или других полимеров.
Особенности бурения в различных породах
Основные значения технологических параметров при бурении — это осевая нагрузка и частота вращения шнекового транспортёра. При увеличении нагрузки обычно увеличивается скорость проходки, что может привести к различным авариям.
Важно следить, чтобы объем отделяемой шнеком породы не превосходил производительность транспортера, иначе на витках могут образоваться заторы.
Скорость шнекового бурения зависит от свойств грунта, глубины и диаметра скважины, частоты оборотов колонны и осевой нагрузки на забой, а также от конструкции инструмента для разрушения породы.
Как правило, пластичные глинистые породы, рыхлые пески и средние по плотности грунты бурятся без дополнительного усилия. Шнековой инструмент проникает в грунт под собственным весом и за счет реактивной силы, возникающей при движении отработанной породы к устью скважины.
Осевая нагрузка до 5 кН обычно создается при первичном бурении. Для твердых супесчаников, суглинков, глинистых пород и аналогичных материалов частота вращения не должна превышать 1,7-3,3 об/с.
При превышении высоких значений в колонне возникают вибрации, которые могут привести к потере соединений, оставляя буровой снаряд на забое и требуя бурения новой скважины. В то время как при малых частотах значительно затрудняется подъем отработанного грунта на поверхность.
При увеличении твёрдости горных пород растут осевые нагрузки. Для бурения в гравийных и щебенистых грунтах, в мерзлых суглинках и водонасыщенных песках, а также в алевролитах с кварцевыми включениями применяют осевую нагрузку в диапазоне 8-10 кН на долото, с частотой вращения бурильной колонны от 1,3 до 2,2 об/с.
Бурение в галечниковых и валунных породах с использованием шнекового метода не производится, так как эти обломки разрушают долото, и для их подъема на поверхность используется желонка.
При бурении в песчаных отложениях с разной плотностью и степенью насыщенности водой, а также в гравийных и щебенистых грунтах, часто применяются высокие обороты и укрепление стенок выработки с помощью обсадных конструкций.
Процесс проходки шнеком в мягкопластичных и текучих глинах зачастую затрудняется образованием пробок. При налипании глинистых частиц на шнек, дальнейшее углубление скважины останавливается, и транспортировка отработанного материала на поверхность становится серьёзной проблемой.
Чтобы предотвратить подобные ситуации, снижают скорость бурения до возможного минимума, расшатывают колонну и добавляют воду в скважину. Также эффективно периодическое извлечение бурильного инструмента на поверхность для очистки от налипшего материала.
Оборудование для шнекового бурения
Инструменты для шнекового бурения классифицируются по конструкции на основе количества витков и формы режущей части. Для бурения в твердых и полутвердых супесях и суглинках часто используют буровые снаряды с дополнительными резцами на кромке.
В большинстве случаев для установки водозаборных скважин частники применяют один стартовый шнек без дополнительных элементов, так как основным материалом для бурения являются осадочные породы. При углублении длину инструмента увеличивают с помощью буровых штанг.
В таких случаях буровой снаряд вытаскивают из скважины через каждые 0,5-0,7 м, чтобы очистить бур от разрушенного материала. Этот способ более экономичный, хотя и более трудоемкий.
Для работы с валунами и галькой в осадочном грунте переходят к ударно-канатному методу, применяя долото из инструментальной стали. Этот заостренный бур с нижним концом «бросают» на забой до разрушения препятствий.
После разрушения гальки или валунов остатки поднимают на поверхность с помощью стакана или желонки, после чего снова возвращаются к шнековому методу. Чаще всего для организации бурения используются сочетания различных методов.
При бурении рыхлых песков и мягких суглинков применяют шнеки с лопастями, направленными к забою под углом 30-60°, а в случае работы с связными глинистыми породами – под углом 90°.
Шнек, по своей конструкции, представляет собой трубы или длинные прутки с навитой спиралью.
Эта спираль создается путем намотки высокопрочной стальной ленты диаметром 5-7 мм на специальную оправку. После намотки лента натягивается на трубе или стержне и приваривается.
Увеличивая диаметр трубы, уменьшают транспортировочную способность шнека. Однако максимальный диаметр изделия ограничивается механической прочностью шнека и технологическими возможностями его производства.
В настоящее время производятся два типа шнеков:
- с центральным отверстием (полые);
- утяжелённые (без отверстия).
Чтобы снизить износ шнекового транспортера при бурении в абразивных породах, на наружную кромку устанавливается стальная полоса или наплавляется защитный металлический слой.
При высоких скоростях бурения к шнеку крепят специальный переходник с двухзаходной навивкой стальной полосы, что позволяет минимизировать трение породы о винтовой транспортер.
На конце трубы с навитой спиралью должны быть приварены элементы для соединения шнеков. Выделяют два вида соединений: безрезьбовое и резьбовое. В первом случае соединение выполняется через муфтовые замки, удерживаемые металлическими пальцами с фиксаторами, во втором — с помощью ввинчивания.
Резьбовое соединение обеспечивает механизацию процесса соединения и разъединения шнеков в процессе опускания и подъёма, а также при подаче жидкости на забой. Однако у него есть недостаток — невозможность реверсирования шнеков, поэтому безрезьбовые соединения стали более распространёнными.
В специальном буровом оборудовании часто используют набор шнеков различных диаметров.
Наиболее эффективными считаются шнеки с центральным отверстием, через которое подается воздух или вода, что уменьшает трение породы о поверхность винтового транспортера.
Полые шнеки с резьбовым соединением применяют при бурении с продувкой, для откачки воды во время проходки цилиндрических выработок, проведения геофизических исследований и для закачивания бетона в отверстия под сваи. Их также можно использовать как обсадные колонны.
В процессе бурения с использованием сплошного забоя центральный канал перекрывается буровым инструментом, подающимся на канате.
Обзор буровых станков
Для выполнения шнекового бурения используются как ручные инструменты, так и механизированные установки. Самыми простыми являются ручные земляные буры, состоящие из стержня или трубы с винтообразным лезвием и неподвижной Т-образной ручкой.
Данный инструмент ввинчивается в грунт подобно штопору и удлиняется с помощью штанг. Ручные буры конструируются разборными для удобной транспортировки, что также позволяет варьировать длину буровой колонны.
С помощью ручного инструмента можно бурить до 2 метров глубины при диаметре до 20 см. Существуют также мотобуры с бензиновым или электрическим приводом, состоящие из шнека и двигателя с редуктором. Вращение вала обеспечивает движение шнека.
С использованием моторного инструмента и буровых штанг можно достигать глубины до 25 метров. Такие устройства с диаметром до 30 см применяются для установки опор освещения, монтажа заборов и шурфов для проверки фундамента.
Для бурения водозаборных скважин в частных домохозяйствах, а также для создания крупных отверстий под свайный фундамент, используются переносные компактные установки или буровые машины на мобильной базе.
Мобильные агрегаты — это небольшие станки с бензиновыми или электрическими моторами, позволяющие быстро пробурить скважину для дачного участка или подготовить множество ям для различных опор.
Часто такие установки изготавливаются в форме прицепов к легковым автомобилям, чтобы облегчить транспортировку к месту работ.
В гражданском и промышленном строительстве для создания глубоких выработок применяют специализированное шнековое оборудование, установленное на мобильных шасси — грузовиках или тракторах.
Эти установки используются при монтаже столбов для высоковольтных линий электропередач, освещения улиц, заборов для стадионов, спортивных комплексов и промышленных объектов. Кроме того, с помощью шнековых буровых установок на мобильной базе формируют шпунтовое ограждение котлованов и устанавливают винтовые сваи.
Полезное видео по теме
Шнековое бурение водозаборной скважины глубиной 20 метров на частном участке:
На этом видео демонстрируется технология горизонтального шнекового бурения для прокладки коммуникаций под автомагистралью:
Устройство свай с использованием непрерывного шнека большого диаметра с центральным каналом. Работы выполняются с буровой установкой Bauer BG-30 и производительным стационарным бетононасосом Liebherr:
Шнековый метод обеспечивает высокие темпы бурения скважин. Разработка скважины и подъем отработанного грунта от забоя к устью происходит одновременно и непрерывно, что позволяет сэкономить время, усилия буровиков и финансирование проекта. Поэтому шнековое бурение остаётся популярным методом.
Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в форме ниже. Расскажите о собственном опыте использования ручного шнекового инструмента или бурения с малогабаритной буровой установкой. Поделитесь технологическими нюансами, которые могут быть полезны другим посетителям сайта.