Шнековое бурение скважин: особенности технологии и снаряда для бурения вручную и установкой

Шнековое бурение скважин для питьевой воды – самый популярный сегодня способ бурения на территории частных домохозяйств. Самостоятельно устроить неглубокую водоносную скважину можно с помощью ручного земляного бура. Чтобы облегчить труд, нередко задействуют малогабаритные буровые установки с приводом.

Мы расскажем, почему этот метод настолько популярен. Разберем, чем он отличается от других способов бурения, в каких ситуациях его эффективно применять. В статье детально описана шнековая технология и конструкция бурильного оборудования, а также буровой инструмент, применяемый в ручном и механическом бурении.

Специфика шнекового бурения

Буровая скважина представляет собой выработку цилиндрической формы в земной коре, которая при большой протяжённости имеет малое поперечное сечение. Её начало называют устьем, боковую поверхность – стенками, а дно выработки – забоем.

Оптимальный способ бурения выбирают с учётом функционального назначения скважины, нужного диаметра и глубины. Важно учесть физико-механические свойства пород, которые необходимо пройти в процессе формирования водозаборной выработки.

Влияет также технико-экономическая целесообразность бурения в конкретных условиях. Это значимый этап при проектировании скважин, в ходе которого определяют базовые технологические решения – тип используемого оборудования и режимы бурения.

Технико-экономическую целесообразность метода шнекового бурения определяют с учётом качества скважины, её долговечности, терминов сооружения, а также стоимости

При проектировании и последующем бурении водозаборных скважин необходимо ориентироваться именно на долгосрочность использования.  Важна способность сохранять стабильный дебет и неизменную водопроницаемость призабойной зоны в течение длительного периода времени.

Процесс бурения скважины включает несколько рабочих операций:

1. Разрушение породы на забое, то есть отделение частиц от массива.
2. Транспортировку отработанного грунта на поверхность.
3. Подготовку скважины к эксплуатации путем прочистки и обустройства ствола, а также проведения промывки водозаборной выработки.

Эффективность бурения напрямую зависит от заложенных природой физико-механических свойств, а именно: плотности сложения, пористости, водопроницаемости несвязных грунтов, консистенции глинистых связных пород.

Шнековое бурение целесообразно применять для проходки скважин диаметром от 60 мм до 200 мм, глубиной не больше 80 м в несвязных и связных грунтах (Ⅰ-Ⅲ категория по буримости). Для проходки в скальных породах средней твёрдости (Ⅳ-Ⅵ категория) применять винтовой бур нецелесообразно

Для бурения скальных пород, характеризующихся монолитностью и кристаллическим типом связей между частицами, данный способ не подходит. Чем прочнее консолидированы минеральные зерна в составе породы, тем большая работа расходуется на её разрушение.

Преимущества и недостатки метода

Шнековый вариант бурения применяют и в промышленности, и в гражданском строительстве, и в ручном бурении скважин. Отличительная особенность его заключается в удалении разрушенной породы не промывочной жидкостью или специальными газожидкостными смесями, а непосредственно деталями шнекового снаряда.

Различают вертикально и горизонтально направленное шнековое бурение. Первый метод задействуют при устройстве водоносных скважин, а также для формирования отверстий под сваи. Второй – используют при прокладке инженерных коммуникаций бестраншейным способом.

Вращательное бурение в мягких породах является самым быстрым и недорогим в сравнении с другими способами

Этот метод обеспечивает одновременно высокую скорость проходки в нескальных грунтах на глубину до 50-80 метров, позволяющий сразу формировать стенки выработки путем установки колонны обсадных труб.

Ещё один плюс – извлечение отработанного грунта на поверхность без подъёма инструмента. И еще: поскольку для шнекового бурения не нужно промывочной жидкости, его успешно применяют в безводных регионах, а также используют в периоды с преобладанием низких температур.

Сегодня бурение шнековыми агрегатами используют:

• Для устройства индивидуальных водозаборных скважин;
• При строительстве фундаментов из винтовых/буронабивных свай;
• Для установки ограждений и железобетонных опор;
• При выполнении бестраншейной прокладки коммуникаций;
• Для строительства неглубоких колодцев и приямков.

Однако есть и недостатки. Шнеками невозможно выбурить скважину в породах высокой твёрдости. При проходке в твердых и полутвердых суглинках, глинах с прослойками известняка могут возникнуть осложнения, а при бурении абразивных пород отмечается большой расход бурового сняряда.

Кроме того, есть ограничение по глубине выработки. Устроить скважину глубиной более 80 метров таким способом очень тяжело.

Технология вертикальной проходки выработок

Шнек – высокопрочная бурильная труба с навитой спиралью, которая выполняет функцию вертикального винтового транспортёра. Под действием осевой нагрузки рабочая часть бурового снаряда внедряется в породу и разрушает её путём резания и разрыхления. Одновременно шнековым буром производится подача отработанного грунта на спираль шнека.

Процесс очистки скважины идёт непрерывно и параллельно разрушению породы. Отделённый от забоя грунт попадает на вращающийся с большой скоростью шнек

Под действием центробежных сил разрыхленный грунт поднимаются по лопастям буровой колонны вверх. Подъём происходит благодаря скольжению по спирали, так как трение грунта о шнек меньше, чем о стенки скважины.

Так разрушенная порода доставляется в измельченном состоянии от забоя на поверхность, и выбрасывается через устье скважины. При незатрудненной транспортировке грунт заполняет 30-40% от всего объёма межвиткового пространства.

Параметры шнековой колонны должны обеспечивать быстрый подъём всей массы грунта, разрушенного шнеком. Однако при бурении часть разрыхленного грунта осыпается обратно на забой. Потому при выполнении шнекового бурения и требуется более усиленная прочистка ствола, а по завершении нужна обязательная промывка.

Горизонтально направленное бурение шнеком

При монтаже инженерных коммуникаций различного функционального назначения под препятствиями (автомагистралями, железнодорожными путями, лесными массивами) применяют горизонтально направленное шнековое бурение.

На начальном этапе работ роют два котлована – стартовый (рабочий) и приёмный. Они должны находиться на одном уровне со спроектированной скважиной. После этого в рабочий котлован спускают и монтируют необходимое оборудование.

Для шнекового бурения в горизонтальном направлении используют крупногабаритные установки с подвижным буровым вращателем с повышенным крутящим моментом

Такое оборудование имеет большой ход подачи и оснащено износостойкой буровой головкой из высоколегированной стали. На нём также установлен зонд для отслеживания бурения. Получая на монитор сигналы, оператор контролирует ход процесса и может корректировать направление движения, а также угол наклона буровой головки.

Когда шнек входит в приёмный котлован, то есть конечную точку согласно проекту, бур снимают. Вместо него фиксируют расширитель и трубу. После этого запускают вращение лопастей в обратном направлении, чтобы затянуть трубу в готовую скважину. По окончанию бурильных работ из стартового котлована извлекают шнековую установку.

Бестраншейный метод позволяет осуществлять прокладку труб под коммуникации ниже уровня грунтовых вод длиной до 80 м. При этом все сложные работы выполняются без трудоемкой разработки траншей, что даёт возможность минимизировать время исполнения и сократить финансовые затраты.

Применяют горизонтальное шнековое бурения при укладке напорных трубопроводов и монтаже систем связи в зонах, где произвести прокладку другими способами невозможно. Главное преимущество бестраншейной прокладки – экономичность. Кроме того, для поддержки устойчивости готовой выработки нет необходимости использовать бетонит или другие полимеры.

Особенности бурения в разных породах

Базовые технологические параметры бурения скважины – осевая нагрузка и частота вращения винта шнекового транспортёра. При увеличении нагрузки непременно повышается и скорость проходки, что может привести к возникновению разных аварийных ситуаций.

Поэтому обязательно нужно следить, чтобы объём отделяемой в единицу времени шнеком породы не превышал производительности транспортёра. В противном случае на витках образуются пробки.

Скорость шнекового бурения напрямую зависит от свойств грунтов, глубины и диаметра скважины, числа оборотов колонны, осевой нагрузки на забой, конструкции используемого инструмента для разрушения породы

Как правило, пластичные глинистые породы, пески рыхлые и средней плотности бурят без принудительной подачи осевой нагрузки. Шнековый инструмент внедряется в грунт под своим весом, а также за счёт реактивного усилия, возникающего при подаче отработанной породы к устью цилиндрической выработки.

Осевые нагрузки до 5 кН обычно создают при стартовом забуривании скважины, при бурении в твердых супесях, суглинках, глинах, аргиллитах, алевролитах. Частота вращения колонны при этом не должна превышать 1,7-3,3 с^-1.

При более высоких частотах внутри возникают вибрации, из-за которых звенья буровой колонны могут утратить соединения. В итоге буровой снаряд останется на забое, достать его практически невозможно, значит, придется бурить новую выработку. А при малых частотах сильно затрудняется транспортировка отработанного грунта наверх.

С увеличением твёрдости пород осевые нагрузки повышают. Бурение в гравийных и дресвяно-щебнистых грунтах, мёрзлых суглинках, водонасыщенных песках, алевролитах с включением кварца производят с осевой нагрузкой 8-10 кН на долото и частотой вращения колонны 1,3-2,2 с^-1.

Галечники и породы с включением валунов шнековым методом не бурят. Эти окатанные обломки скальных пород разрушают долотом и поднимают на дневную поверхность желонкой.

Бурение в песках различной плотности и степени насыщения водой, гравийных и щебенистых отложениях ведут при больших оборотах и одновременно укрепляют стенки выработки обсадными конструкциями.

Проходка шнеком по мягкопластичным и текучепластичным глинам нередко осложняется образованием пробок. Когда глинистые частицы налипают на шнековый инструмент, прекращается углубление скважины, сильно затрудняется транспортировка отработанной породы наверх

Чтобы этого избежать, снижают скорость бурения до минимально возможной, расхаживают колонну и добавляют воду в скважину. Также в подобной ситуации помогает периодический подъём бурильного инструмента на поверхность и очистка от налипшего суглинка.

Инструмент для шнекового бурения

Инструменты для шнекового бурения скважин по типу конструкции различают по числу витков и геометрии режущей части. Для проходки в твердых и полутвердых супесях и суглинках нередко используют буровые снаряды, кромка которых снабжена дополнительными резцами.

Чаще всего для проходки водозаборной выработки для частников используют только один стартовый шнек без каких либо дополнений, т.к. бурить предстоит осадочные связные и несвязные породы. При заглублении инструмент просто наращивают буровыми штангами.

В этом случае снаряд из ствола скважины извлекают через каждые 0,5 — 0,7 м, чтобы очистить сам бур и забой от разрушенной породы. Это более экономичный, но и более трудоемкий вариант бурения.

Для разбуривания валунов и гальки, которые могут встретиться в осадочных грунтах, переходят на ударно-канатный метод. Как правило, используют для этого долото, выполненное из инструментальной стали. Этот заостренный с нижнего торца бур с усилием «бросают» на забой до тех пор, пока не разрушат «твердую преграду».

После разрушения гальки или валуна осколки извлекают на поверхность стаканом (колонковой трубой) или желонкой. Затем снова переходят на шнековый метод. Чаще всего для проходки выработки приходится использовать несколько буровых способов в комплексе.

При бурении рыхлых песков и мягких суглинков используют буровые шнековые снаряды с развёрнутыми к забою лопастями под углом 30-60º, а для бурения в связных глинистых породах — 90º.

Конструктивно шнек представляет собой трубу или длинномерный сплошной пруток/стержень с навитой спиралью

Получают эту спираль путём намотки высокопрочной стальной ленты диаметром 5-7 мм на винтовую оправку. Её растягивают на трубе/стержне, после чего приваривают.

Чем больше диаметр трубы-основы, тем меньше транспортирующая способность шнека. Однако диаметр длинномерного изделия ограничен механической прочностью шнека, а также технологией его производства.

Сегодня изготовляют два вида шнеков:

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

Чтобы минимизировать износ винтового транспортёра при бурении в абразивных породах, на наружную кромку наворачивают полосу из стали или же наплавляют на поверхность слой металла.

При высоких скоростях шнекового бурения над снарядом фиксируют специальный переходник с двухзаходной навивкой полосовой стали. При этом основная масса породы попадает на винтовой транспортёр без перетирания.

На конце трубы с навитой спиралью обязательно приваривают элементы соединения. Различают два типа соединения шнеков: безрезьбовое и резьбовое. В первом случае шнеки соединяются муфтовыми замками и удерживаются за счёт металлических пальцев с фиксаторами, во втором случае – методом ввинчивания.

Резьбовое соединение шнеков в бурильную колонну даёт возможность механизировать их соединение и разъединение при выполнении спуско-подъёмных операций, при подаче жидкости на забой. Но есть и существенный минус – возможности обратного вращения шнеков в этом случае нет. А потому безрезьбовое соединение получило более широкое распространение.

Специальные буровые установки, как правило, включают набор шнеков разных диаметров.

Самыми эффективными являются шнеки с центральным отверстием, через которое к забою подаётся воздух или вода. Это даёт возможность снизить трение породы о поверхность винтового транспортёра

Полые шнеки с резьбовым типом соединения задействуют при бурении с продувкой, для откачки воды при проходке цилиндрических выработок в земной коре, для установки заряда в геофизические скважины, для закачки бетона в отверстия под сваи. Также их можно использовать в качестве обсадной колонны.

При бурении сплошным забоем центральный канал перекрывают буровым инструментом на канате.

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.

Полезное видео по теме

Шнековое бурение водозаборной скважины глубиной 20 м на территории частного домохозяйства:

В этом видео показана технология горизонтального шнекового бурения скважины для прокладки коммуникаций под автомагистралью:

Устройство свай непрерывным шнеком большого диаметра с центральным каналом. Для проведения работ используется буровая установка Bauer BG-30 и высокопроизводительный стационарный бетононасос Liebherr:

Шнековый способ обеспечивает высокие темпы бурения скважин. Разработка скважины и подача отработанного грунта от забоя к устью выработки происходит одновременно и непрерывно, что экономит и время, и усилия буровиков, и вложенные в проект средства. Поэтому метод шнекового бурения и пользуется популярностью.

Оставляйте, пожалуйста, комментарии в находящейся ниже блок-форме. Расскажите, приходилось ли вам использовать ручной шнековый инструмент или бурить на малогабаритном буровом станке с использованием шнека. Поделитесь технологическими тонкостями, которые могут пригодиться посетителям сайта.