Шнековое бурение скважин: обзор технологии и инструмента для ручного и механического бурения

Скважина и колодец

Винтовое бурение для питьевой воды на сегодняшний день является самым популярным методом бурения в частных домовладениях. Самостоятельно устроить неглубокий водоносный горизонт можно с помощью ручного землеройного бура. Для облегчения труда часто применяют небольшие буровые установки с приводами.

Мы объясним, почему этот метод так популярен. Разберем, чем он отличается от других методов бурения, в каких ситуациях его эффективно использовать. В статье подробно описаны шнековые технологии и конструкции бурового оборудования, а также буровой инструмент, применяемый при ручном и механическом бурении.

Специфика при сверлении шурупом

Скважина представляет собой цилиндрическую выемку в земной коре, которая при своей большой длине имеет малое поперечное сечение. Начало называется устьем, боковая поверхность – стенками, а низ работы – лицевой стороной.

Оптимальный способ бурения выбирается с учетом функционального назначения скважины, желаемого диаметра и глубины. Важно учитывать физико-механические свойства горных пород, которые необходимо передать в процессе формирования водозабора.

Сказывается и технико-экономическая целесообразность бурения в конкретных условиях. Это значимый этап проектирования скважин, на котором определяются основные технологические решения — тип используемого оборудования и режимы бурения.

Бурение скважины

Технико-экономическая целесообразность винтового метода бурения определяется с учетом качества скважины, ее долговечности, условий строительства, а также стоимости

При проектировании и последующем бурении скважин на воду необходимо ориентироваться на долгосрочное использование. Важна способность поддерживать стабильный дебит и постоянную водопроницаемость в призабойной зоне в течение длительного периода времени.

Процесс бурения скважины включает в себя несколько рабочих этапов:

  1. разрушение породы на дне, то есть отделение частиц от матрицы.
  2. Транспортировка отработанного грунта на поверхность.
  3. Подготовка скважины к эксплуатации путем очистки и обустройства ствола скважины, а также промывки водозабора.

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

Бурение в рыхлых породах

Винтовым бурением рекомендуется бурение скважин диаметром от 60 мм до 200 мм, глубиной не более 80 м в несвязных и связных грунтах (Ⅰ-Ⅲ категория буримости). Для проходки в породах средней твердости (Ⅳ-Ⅵ категории) нецелесообразно использовать винтовой бур

Для бурения горных пород, характеризующихся монолитностью и кристаллическими связями между частицами, этот метод не подходит. Чем прочнее минеральные зерна закрепились в составе породы, тем больше работы затрачивается на разрушение.

Преимущества и недостатки метода

Винтовой вариант бурения применяется в промышленности, строительстве и ручном бурении скважин. Его характерная особенность заключается в удалении отбитой породы не промывочной жидкостью или специальными газожидкостными смесями, а непосредственно деталями винтового снаряда.

Различают вертикально и горизонтально направленное винтовое бурение. Первый способ используется при строительстве водоносных горизонтов, а также для формирования шпуров под сваи. Второй используется при прокладке инженерных коммуникаций бестраншейным способом.

Бурение вращающимся шнеком

Вращательное бурение в мягких породах является самым быстрым и дешевым методом по сравнению с другими методами

В то же время этот способ обеспечивает высокую скорость проходки в нескальном грунте на глубину до 50-80 метров, что позволяет сразу формировать стенки шахты установкой обсадной колонны.

Еще один плюс – извлечение отработанного грунта на поверхность без подъема орудия. И еще: поскольку винтовое бурение не требует промывочной жидкости, его успешно применяют в безводных районах, а также применяют в периоды преобладания низких температур.

Сегодня бурение винтовыми агрегатами применяется:

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

Однако есть и недостатки. Бурить скважину шнеками в породах с высокой твердостью невозможно. При проходке в твердых и полутвердых глинах, глинах с прослоем известняка могут возникать осложнения, а при бурении абразивных пород отмечается большой расход бурового инструмента.

Интересно:  Копка колодцев: как выкопать колодец, рытье колодца на даче своими руками

Кроме того, существует ограничение по глубине разработки. Обустроить таким образом скважину глубиной более 80 метров очень сложно.

Технология вертикальной проходки выработок

Шнек представляет собой высокопрочную бурильную трубу с навитой спиралью, выполняющую функцию вертикального винтового конвейера. Под действием осевой нагрузки рабочая часть бурового инструмента внедряется в горную породу и разрушает ее путем резания и разрыхления. В то же время шнек подает отработанный грунт на шнек.

Бурение скважин

Процесс очистки скважины идет непрерывно и параллельно разрушению породы. Грунт, отделяемый от поверхности, падает на шнек, который вращается с большой скоростью

Под действием центробежных сил разрыхленный грунт поднимается по лопастям бурильной колонны. Увеличение происходит за счет скольжения по спирали, так как трение грунта о долото меньше, чем о стенки скважины.

Таким образом, отбитая порода в раздробленном состоянии доставляется со дна на поверхность и выбрасывается через устье скважины. При простом транспорте грунт заполняет 30-40% всего объема пространства.

Параметры буровой колонны должны обеспечивать быстрый подъем всей разрушаемой шнеком грунтовой массы. Но при бурении часть разрыхленного грунта падает обратно на дно. Поэтому при выполнении винтового бурения требуется более совершенная очистка ствола, а после завершения обязательная промывка.

Горизонтально направленное бурение шнеком

При устройстве инженерных коммуникаций различного функционального назначения под препятствиями (автодороги, железные дороги, леса) применяют горизонтально-направленное бурение.

В начальной фазе работ выкапываются две ямы – стартовая (рабочая) и приемная. Они должны быть на одном уровне с проектируемым колодцем. После этого необходимое оборудование опускается в рабочий котлован и собирается.

Горизонтально-направленное бурение

Для шнекового бурения в горизонтальном направлении применяют крупногабаритные установки с подвижным буровым ротором с повышенным крутящим моментом

Такое оборудование имеет большой ход подачи и оснащено прочной буровой головкой из высоколегированной стали. Он также имеет зонд для отслеживания ствола скважины. Получая сигналы на мониторе, оператор контролирует ход процесса и может корректировать направление движения, а также угол наклона буровой головки.

При входе шурупа в приемный котлован, т.е конечную точку по проекту, бур убирают. Вместо него крепится расширитель и трубка. После этого начинают вращение лопастей в обратном направлении для затягивания трубы в готовую скважину. По окончании буровых работ винтовую установку извлекают из стартового котлована.

Бестраншейный метод позволяет прокладывать трубы для коммуникаций ниже уровня грунтовых вод до 80 м. При этом весь комплекс работ выполняется без трудоемкой рытья траншей, что позволяет минимизировать время выполнения и снизить финансовые затраты.

Горизонтальное шнековое бурение применяют при прокладке напорных трубопроводов и монтаже коммуникаций в районах, где невозможно проложить другими способами. Основное преимущество бестраншейной прокладки – экономичность. Кроме того, нет необходимости использовать бентонит или другие полимеры для поддержания стабильности готовой шахты.

Особенности бурения в разных породах

Основными технологическими параметрами бурения скважины являются осевая нагрузка и частота вращения транспортного шнека. При увеличении нагрузки скорость проходки непременно увеличится, что может привести к различным аварийным ситуациям.

Поэтому важно следить за тем, чтобы объем породы, отделяемой шнеком в единицу времени, не превышал производительности конвейера. В противном случае на изгибах образуются пробки.

Строительство скважин

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

Пластичные глинистые породы, рыхлые и среднеплотные пески, как правило, бурят без принудительного осевого нагружения. Винтовой инструмент забивается в землю под действием собственного веса, а также за счет реактивной силы, возникающей при доведении пустой породы до устья цилиндрической шахты.

Осевые нагрузки до 5 кН обычно создаются при первом бурении скважины, при бурении в твердых супесях, глинах, глинах, аргиллитах и ​​алевролитах. Частота вращения колонны при этом не должна превышать 1,7-3,3 с-1.

Интересно:  Донный фильтр для колодца: как сделать самому + обзор фильтрационных материалов

При более высоких частотах внутри возникают вибрации, которые могут привести к разъединению соединителей бурильной колонны. В результате бурильная колонна останется на дне, достать ее практически невозможно, а значит, придется бурить новую работу. А на низких частотах очень сложно транспортировать отработанный грунт вверх.

С увеличением твердости породы осевые нагрузки возрастают. Бурение в гравийно-гравийных грунтах, мерзлых глинистых грунтах, водонасыщенных песках, алевролитах с включением кварца производят при осевой нагрузке 8-10 кН на одно долото и частоте вращения колонны 1,3-2,2 с-1.

Галька и камни с включением валунов не бурятся винтовым способом. Эти округлые обломки породы разбиваются долотом и поднимаются на поверхность черпаком.

Бурение в песках разной плотности и степени насыщения водой, гравийных и щебеночных отложениях ведется на высоких скоростях и при этом рабочие стенки армируются конструкциями обсадных труб.

Винтовое бурение в глине

проведение шнека через мягкий пластик и жидкую пластичную глину часто осложняется образованием пробок. При налипании частиц глины на винтовой инструмент углубление скважины прекращается, и транспорт пустой породы наверх становится очень затрудненным

Чтобы этого избежать, уменьшите скорость бурения до минимально возможной, обойдите колонну и долейте воду в скважину. Также в такой ситуации помогает периодический подъем бурового инструмента на поверхность и очистка от налипшей глины.

Инструмент для шнекового бурения

Инструменты для винтового бурения скважин по типу конструкции характеризуются числом оборотов и геометрией режущей части. Для проходки по твердым и полутвердым супесям и суглинкам часто применяют буровой инструмент, острие которого снабжено дополнительными резцами.

Чаще всего для проходки водозаборов для частников используется только пусковой винт без дополнений, т.к необходимо бурить осадочные связные и несвязные породы. При углублении инструмент просто наращивают буровыми штангами.

При этом снаряд удаляют из ствола скважины через каждые 0,5 — 0,7 м для очистки самого бура и забоя от отбитой породы. Это более экономичный, но и более трудоемкий вариант бурения.

Для бурения валунов и гальки, которые можно найти в осадочном грунте, переходят на ударно-канатный метод. Как правило, для этого используется стамеска из инструментальной стали. Это сверло, заостренное на нижнем конце, с силой «бросают» в дно до тех пор, пока не сломается «твердая преграда».

После разрушения гальки или породы осколки удаляются на поверхность стаканом (колонной трубой) или желонкой. Затем возвращаются к винтовому методу. Чаще всего для проходки работы необходимо использовать несколько методов бурения в сочетании.

При бурении рыхлых песков и мягких глинистых грунтов используют шнековые снаряды с обращенными к забою лопастями под углом 30-60º, а при бурении в связных глинистых породах — 90º.

Типы винтов

Конструктивно винт представляет собой трубку или длинный цельный стержень/стержень с навитой спиралью

Эта спираль получается путем наматывания на отвертку ленты из высокопрочной стали диаметром 5-7 мм. Натягивается на трубу/стержень, после чего приваривается.

Чем больше диаметр базовой трубы, тем ниже транспортная способность шнека. Однако диаметр сортового изделия ограничен механической прочностью шнека, а также технологией производства.

На сегодняшний день производятся два типа винтов:

  • С центральным отверстием, то есть пустотелым;
  • Утяжеленные — без отверстий.

Для минимизации износа винтовых конвейеров при бурении в абразивных породах на наружную кромку наматывают стальную полосу или на поверхность наносят слой металла.

На больших скоростях при винтовом сверлении над снарядом закрепляется специальный переходник с двухзаходной намоткой из полосовой стали. При этом основная часть камня попадает на винтовой конвейер без измельчения.

На конец трубы с намотанной спиралью необходимо приварить соединительные элементы. Резьбовые соединения бывают двух типов: безрезьбовые и резьбовые. В первом случае винты соединяются стяжными замками и удерживаются металлическими штифтами с замками, во втором случае — завинчиванием.

Интересно:  Как сделать водопровод на даче из колодца своими руками

Резьбовое соединение шнеков в бурильную колонну позволяет механизировать их соединение и разъединение при выполнении демонтажных работ, при подаче жидкости на забой. Но есть и существенный минус — нет возможности обратного вращения винтов в этом случае. Поэтому беспроводное соединение получило более широкое распространение.

Специальные буровые установки обычно включают в себя набор шнеков разного диаметра.

Сверление отверстий

Наиболее эффективны шнеки с центральным отверстием, через которое на дно подается воздух или вода. Это позволяет уменьшить трение породы о поверхность винтового конвейера

Полые шнеки с резьбовым типом соединения применяют при бурении с очисткой, для откачки воды при проходке цилиндрических работ в земной коре, для установки заряда в геофизических скважинах, для закачки бетона в скважины под сваи. Их также можно использовать в качестве оболочки.

При бурении с твердой поверхностью центральный канал перекрывают буровым инструментом на канате.

Обзор буровых станков

Для шнекового бурения применяют как ручной инструмент, так и механизированные установки. Самым простым по конструкции является ручной почвенный бур. Он состоит из стержня/трубки со спиральным лезвием и жесткой фиксированной Т-образной рукоятки.

Этот тип бурового инструмента ввинчивается в землю наподобие штопора. В процессе земляных работ его наращивают стержнями. Ручные землебуры делают разборными, чтобы их было практичнее всего перевозить в автомобилях. Он также позволяет изменять длину бурильной колонны.

Ручным инструментом можно делать отверстия глубиной до 2 метров диаметром не более 20 сантиметров. Есть также двигательные упражнения с бензиновым или электрическим приводом. В их конструкцию входит винтовой конвейер, то есть шнековый, и двигатель с редуктором. Вращение вала двигателя обеспечивает движение шнека.

С применением мотобура при наличии буровых штанг для удлинения возможно бурение скважин глубиной до 25 метров. При диаметре до 30 сантиметров применяется для установки опор освещения на улице, для устройства столбов забора, котлованов для осмотра фундамента, подполья.

Буровая установка на передвижном оборудовании

Бурение скважин на воду на территории частных домовладений и формирование скважин большого диаметра под свайный фундамент осуществляют переносными малогабаритными машинами или буровыми установками на передвижной технике

Мобильные устройства представляют собой небольшие машины с электрическим или бензиновым двигателем. С их помощью можно быстро пробурить скважину для дачи, подготовить большое количество отверстий под опоры различного функционального назначения.

Часто такие буровые установки изготавливаются в виде прицепа для автомобилей для облегчения транспортировки к месту проведения работ.

В гражданском и промышленном строительстве для формирования выработок большой глубины и диаметра применяют специальное оборудование для шнека, закрепленное на передвижной технике — грузовиках, тракторах.

Применяется для установки опор высоковольтных линий электропередач и столбов уличного освещения, при монтаже опор ограждений стадионов, спортивных сооружений, промышленных объектов и аэропортов. Кроме того, с помощью винтовых буровых установок на передвижной технике сооружаются сваи из шурфов, устанавливаются стяжки.

Полезное видео по теме

Бурение скважины на воду глубиной 20 м на территории частного домовладения:

В этом видео показана технология горизонтального бурения скважины для прокладки коммуникаций под автомобильной дорогой:

Узел свай сплошным шнековым большого диаметра с центральным швеллером. Для работы используется буровая установка Bauer BG-30 и высокопроизводительный стационарный бетононасос Liebherr:

Винтовой метод обеспечивает высокие скорости бурения скважин. Разработка скважины и подача отвального грунта от забоя до устья выработки происходит одновременно и непрерывно, что экономит как время и силы буровиков, так и средства, вложенные в проект. Поэтому популярен метод сверления шурупом.

Оставляйте комментарии в форме блока ниже. Расскажите нам, пользовались ли вы когда-нибудь ручным буром или бурили буром на небольшой буровой установке. Поделитесь технологическими функциями, которые могут быть полезны посетителям сайта.

Оцените статью
SV-Aqua.ru