Документы Обзор технологий Буровая техника Статьи и полезные ссылки Типы присоединительных элементов

Шнековое бурение

Шнековое бурение (от нем. Schnecke — улитка, завиток, винт) является разновидностью вращательного бурения. Специфика технологии заключается в том, что удаление с забоя и транспортирование по скважины разрушенной породы осуществляют одновременно с проходкой скважины не потоком очистного агента, а за счет свойств вращающегося непрерывного шнека или шнековой колонны. Обычно шнековое бурение осуществляют сплошным забоем. Также можно вести шнековое бурение с отбором ненарушенных образцов породы (керна) с помощью полых магазинных шнеков или съемных грунтоносов.

Шнековое бурение — наиболее распространенный и наиболее универсальный способ из всех видов неглубокого бурения. Его применяют при бурении скважин глубиной до 50-80 м в породах от I до VIII категорий по буримости, в том числе в гравийно-галечных, в породах с включением валунов, в грунтах со скальными включениями. Одной из причин широкого распространения шнекового бурения является и то, что при применении данной технологии в большинстве пород происходит попутно закрепление стенок скважины поднимаемой породой. В строительной отрасли шнековое бурения используют для бурения под различные виды свай  под забивные сваи (в том числе лидерное бурение), буровые набивные и инъекционные сваи. Также шнековое бурение является стартовой площадкой для применения других технологий устройства фундаментов (струйная цементация грунтов (jet-grouting), «стена в грунте» и др.). Шнековое бурение производится также при производстве работ по укреплению фундаментов и грунтов, решении задач подземного строительства.

В геологической отрасли шнековое бурение используют при сейсморазведке (бурение для погружных зарядов ВВ), взрывных скважинах при открытой разработке угольных карьеров, инженерно-геологических, гидрогеологических, мелких водозаборных скважинах, разведке строительных материалов и некоторых других геологоразведочных скважинах. Такой вид бурения можно успешно применять в комбинации с геологоразведочным бурением, для забуривания скважины в начальном интервале, представленном рыхлыми наиболее трудными для бурения с промывкой породами.

Физические основы шнекового бурения

Физику процесса шнекового бурения отличают три важных момента: охлаждение породоразрушающего инструмента, транспортирование разрушенной породы на поверхность и закрепление стенок скважины поднимаемой породой. При вращательном бурении неизбежно трение породоразрушающего инструмента о породу и его нагревание: чем быстрее и больше силы трения, тем больше выделяется тепла и сильнее нагревается инструмент. При недостаточном охлаждении, т. е. отводе будет происходить значительный износ инструмента или даже его расплавление — «прижог». В шнековом бурении при отсутствии потока очистного агента охлаждение породоразрушающего инструмента происходит вследствие отдачи тепла непосредственно породе, эффективность охлаждения обеспечивается высокой скоростью бурения. В твёрдых скальных породах, где скорость бурения низка из-за недостаточного охлаждения инструмента, шнековое бурение обычно не применяют. Транспортирование разрушенной породы по принципу шнекового транспортера Транспортирование разрушенной породы осуществляется по принципу шнекового транспортера. Такие транспортеры для перемещения сыпучих материалов известны давно и широко применяются в различных областях техники: в цементной промышленности, на зерновых элеваторах, в сельхозмашинах и в обычной бытовой мясорубке. Как работает шнековой транспортер при бурении скважины? Шнек состоит из центрального трубчатого стержня, к которому приварена спиральная реборда, представляющая собой винтовую поверхность. При бурении вертикальных скважин элементарный участок винтовой поверхности может быть представлен как наклонная плоскость с углом наклона а, в плане представляющая собой диск (рис.1).


Рис. 1. Схема динамики подъема частицы породы при шнековом бурении

Технические средства для шнекового бурения. Буровой инструмент для шнекового бурения.

В шнековом бурении определяющую роль играет буровой инструмент, от которого и произошло название вида бурения. В практике шнекового бурения выделено три разновидности и соответственно три компоновки технологического бурового  инструмента: бескерновое шнековое бурение осуществляют следующим инструментом: непрерывным шнеком (SOB или SFA способ) или колонной обычных шнеков в комплекте с конусным буром, лопастным буром или долотом. Шнеко-колонковое бурение ведут с использованием магазинного шнека с коронкой и колонны обычных шнеков; бурение с отбором керна производится колонной полых шнеков с использованием съемного керноприемника или съемного шнекового долота. В строительной отрасли России в течение многих лет бескерновое шнековое бурение было преобладающим. В последние два десятилетия все большее распространение получают технологии устройства буронабивных и буроинъекционных свай, в которых применяются полые шнеки. 

При проходке мягких пород процесс разрушения породы не требует значительных затрат энергии, и скорость бурения может быть высокой. При этом большой объем выбуренной породы требует его своевременного и качественного удаления, от чего зависит эффективность бурения. При бурении в мягких и рыхлых породах, где не требуется создания значительных породоразрушающих нагрузок, в комплекте со шнеками применяют двух- и трехлопастные долота режущего типа со спиральными или плоскими лезвиями, армированными твердым сплавом, а также различные типы лопастных буров на плоских резцах. Для пород средней твердости, где требуется более высокая износостойкость инструмента, применяют долота округленного профиля со значительно большей насыщенностью твердым сплавом, лопастные буры с круглыми режущими зубьями или конусные буры. Конусные буры также оптимальны для использования в более сложном грунте VI-VIII категории.

При шнеко-колонковом бурении и бурении полыми шнеками породоразрушающий инструмент представлен специальными шнековыми бурами или коронками, разрушающими породу по кольцевому забою. Лопастные шнековые буры обычно имеют от 3 до 6 лопастей, армированных твердым сплавом, с гладкой или ступенчатой режущей поверхностью. Шнековый инструмент с оголовком в виде конусного бура имеет лучшие породоразрушающие свойства за счет иных углов резания и сочетания режущих и скалывающих усилий, а, следовательно, более высокую производительность, нежели лопастные шнековые буры.

Буровые шнеки

Основой бурового инструмента для шнекового бурения служат буровые шнеки составляющие колонну с непрерывной спиральной ребордой от полота или коронки на забое до поверхности. В зависимости от разновидности бурения применяют три основных вида шнеков: обычные, в том числе и утяжеленные, магазинные и полые. Наиболее часто применяют обычные буровые шнеки (рис.2), которые носят также название стандартных буровых шнеков.


Рис.2. Стандартный буровой шнек. 1 – хвостовик; 2 – труба; 3 – виток; 4 – втулка

Шнек — это труба с навитой на ней спиральной ребордой. Спираль получают путем навивки стальной ленты на специальную винтовую оправку, затем ее надевают на трубу шнека, растягивают вдоль трубы до получения нужного шага и приваривают. К концам трубы шнека приваривают соединительные элементы. Наружный диаметр шнека составляет 0,88-0,95 от диаметра долота или бура, что обеспечивает свободное вращение шнековой колонны и способствует закреплению стенок скважины. Обычные шнеки различаются размерами по наружному диаметру спиральной реборды диаметром трубы шнека, шагом спиральной реборды, общей длиной и устройством соединительных элементов.

Для разных буровых установок применяют разнообразные шнеки, отличающиеся размерами и устройством соединений, что часто исключает их взаимозаменяемость. Заменой колонны шнеков может служить непрерывный шнек большой длины. Чаще всего подобный инструмент применяется на зарубежных буровых установках, но в России также есть буровая техника, на которой применяется непрерывный шнек. Например, бурильно-сваебойные машины ОАО «Стройдормаш» БМ-811, БМ-831 и БМ-833.

Кроме обычных шнеков, применяют также утяжеленные буровые шнеки, отличающиеся от обычных увеличенной толщиной до 10-16 мм реборды, приваренной к трубе двумя швами (сверху и снизу). Данный тип шнеков применяется при работе в сложном грунте. Как правило, в колонну при встрече валунно-галечных отложений вставляют 2-3 утяжеленных шнека. Утяжеленные шнеки, кроме повышенной прочности, обеспечивают также плавность вращения шнековой колонны.

Соединения обычных буровых шнеков могут быть двух типов — замки (трех, четырех или шестигранные, в зависимости от конструкции шнеков) и резьбовые соединения. Наиболее распространены и имеют наибольшие достоинства шестигранные соединения. При таком типе соединений на одном конце шнека имеется наружный шестигранник с поперечным отверстием, а на другом — внутренний шестигранник с таким же отверстием. При соединении шнеков в колонну наружный шестигранник входит во внутренний другого шнека, поперечные отверстия совпадают и в них забивают запорный палец. Шестигранное соединение в отличие от резьбового обеспечивает точное совпадение спирали реборды одного шнека со спиралью следующего и получение непрерывной спирали по всей колонне шнеков. Не менее важно то, что при таком соединении шнековую колонну можно вращать как вправо, так и налево. Это позволяет легко извлекать шнеки в случае их прихвата породой, а также осуществлять тампонирование скважины, транспортируя при левом вращении породу к забою скважины. Для бурения с отбором ненарушенных образцов породы из отдельных интервалов скважины на нижнем конце шнековой колонны устанавливают магазинный (колонковый) шнек.

Магазинный шнек (см. рис. 3) состоит из трубы 1, диаметр которой несколько больше, чем у трубы обычного шнека. На наружной поверхности трубы приваривают спиральную реборду с шагом и наружным диаметром, равными обычным шнекам. На нижнем конце магазинного шнека на резьбе навинчена коронка 3, а внутри размещена разъемная гильза.


Рис. 3 Колонковый (магазинный) шнек.

Для бурения с непрерывным отбором ненарушенных образцов съемным грунтоносом или для доставки на забой заряда ВВ без подъёма шнеков в скважинах с неустойчивыми стенками при сейсморазведке применяют колонну полых шнеков, у которых за счет увеличения диаметра трубы несколько уменьшена ширина реборды и применены соединение, оставляющие открытым центральное отверстие трубы. Кроме указанных задач, полые шнеки можно использовать для бурения и оборудования с послойным опробованием водоносных горизонтов гидрогеологических скважин, при бурении комбинированных скважин для проходки и закрепления интервалов неустойчивых под с оставлением полой колонны шнеков в качестве обсадной, особенности конструкции полых шнеков сводятся к устройству их соединений. Для полых шнеков обычно используют фиксированные соединения (шлицевые, кулачковые, восьмигранные и др.), позволяющие получить совпадение спирали и осуществить левое вращение. Наиболее характерные соединения полых шнеков приведены на рис.4.

Рис. 4. Инструмент для шнеко-колонкового бурения: а – исковая колонна со съемным керноприемником; б — соединения полых шнеков

Буровые установки, применяемые для шнекового бурения.

Для шнекового бурения используют станки (установки) с подвижным вращателем, поскольку конструкция шнеков исключает использование станков шпиндельного и роторного типов. Станок должен осуществлять вращение шнеков с частотами от 1 до 5 сˉ1 развивать значительный крутящий момент (от 5 кН), обеспечивать осевое перемещение шнеков с ходом подачи не менее длины шнеков (1—3 м) и регулирование осевой нагрузки как вниз дополнительно к весу шнеков, так и вверх — бурение с разгрузкой. Учитывая высокие скорости бурения, следовательно, минимальные затраты времени на сооружение скважины, станки шнекового бурения должны обладать высокой транспортабельностью. Практически для шнекового бурения применяют переносные или самоходные буровые установки.

В зависимости от назначения станки, буровые установки и буровые машины для шнекового бурения можно условно разделить на несколько типов:

  • специализированные строительные свайные буровые машины (буровые установки)
  • специализированные геологические буровые машины (буровые установки)
  • универсальные буровые машины (буровые установки), предназначенные для выполнения двух вышеперечисленных видов буровых работ.

К первой категории в первую очередь относятся широко применяемые в России буровые установки зарубежных производителей. Это, например, буровые установки BAUER, Casagrande, Soilmec, KATO и др. Обычно данные буровые установки отличаются большими габаритами и массой, нежели отечественные буровые машины и позволяют делать скважины в широком диапазоне глубин и диаметров. Они ориентированы именно на «строительное» бурение.

Из отечественных категории специализированных строительных свайных буровых установок относятся, например, буровые машины МРК-750 и МРК-800 производства ОАО «Ивэнергомаш», серии БМ-8хх и БКМ-15хх, МБШ-818 производства ОАО «Стройдормаш», УБГ-СГ «Беркут» производства НПЦ СБТ, а также М-150 украинской компании Маст-буд и некоторые другие установки. Буровые машины отличаются различным крутящим моментом, глубиной и диаметром бурения.

Ко второй категории относится множество станков для шнекового бурения, которые производят скважины малого диаметра и в силу этого не могут применяться для устройства строительных буровых свай. Данные буровые станки могут быть переносными или самоходными. Среди буровых установок, наиболее распространенных в России, можно перечислить УКБ 12/25 и УКБ 12/25с, УПБ-100Р, УПБ-100ГТ2 УГБ-50М, УГБ-1ВС. Среди основных производителей: ОАО «Геомаш», СКБ «ГЕОТЕХНИКА».

Третья категория буровых установок шнекового бурения является самой многочисленной. Данные установки могут осуществлять как бурение инженерно-геологических, сейсморазведочных и др. типов скважин в геологии, так и бурения под сваи при строительных работах по устройству фундаментов. При некоторых условиях к ней можно причислить и ряд отечественных буровых машин – те, которые имеют достаточно широкий диапазон диаметров бурения, как, например, бурильно-сваебойные машины БМ-811 и БМ-831 производства ОАО «Стройдормаш» (диаметр бурения от 150 до 500 мм) или установки производства НПЦ СБТ УБГ-ЛГ «Аллигатор» и УБГ-СГ «Беркут» (диаметр бурения от 90 до 650 мм). К данной категории относятся также буровые установки ПБУ и ЛБУ различных модификаций и УСГ «Атлант» производства ОАО «Геомаш», буровые машины серии БГМ производства ОАО «Стройдормаш», МБШ-421 (Сибирьтрейлер) и БМП-045 (КЗНО) с диаметром бурения от 150 до 450 мм, а также малогабаритные буровые установки различных производителей – ББУ-Опенок (Геомаш), СБГ-ПМ «Стерх (НПЦ СБТ), УШБМ (Курганавторемонт) и множество зарубежных.