Особенности шнекового бурения скважин

2 Станки ударного бурения

Установки для ударного бурения разрабатывают скважину посредством кратковременного воздействия на дно скважины специального инструмента, совершающего возвратно-поступательные движения. В зависимости от принципа работы все буровые станки данного типа делятся на 3 разновидности:

1. Станки ударно-канатного бурения.

Их устройство не предполагает наличия осевого усилия при подаче рабочего инструмента — боек падает на дно скважины под своем весом. Такое оборудование имеет достаточно низкую производительность, но при этом она крайне эффективна при разработке хрупких горных пород.

Рабочий инструмент таких станков имеет вес 1-3 тонны, он подвешивается на лебедке и поднимается посредством кривошипно-шатунного механизма на высоту 1-2 метров над забоем. В процессе разработки на дно скважины заливается вода, размягчающая породу.  Разрушенный грунт периодически удаляется с помощью желонки.

БС-3

Установки для ударно-канатного бурения бывают как крупногабаритные на гусеничном (БС-3) либо колесном ходу (БЖ-6), так и компактные (сборного типа) для разработки скважин на воду. Общим недостатком всех агрегатов является низкая производительность, так как скорость свободного падения рабочего инструмента непосредственно зависит от силы земного притяжения и количество ударов невозможно увеличить выше отметки 50-60 шт/мин.

1. Станки шарошечного бурения.

В таких агрегатах рабочим инструментом выступает шарошечное долото, осуществляющее дробяще-скалывающую разработку породы. Буровой колонне, на которой закреплено долото, сообщается не только возвратно-поступательное движение с большим усилием по отношению к дну забоя, но и вращательное движение.

Шарошечное долото

Такие установки используются для бурения всех типов грунтов — от мягких до особо твердых (включая горные породы), они способы разрабатывать скважины диаметром 72-400 мм. Среди отечественного оборудования выделим станок СБШ-200 (глубина — 30 м, диаметр 190-243 мм) и станок СБШ-250 (глубина — 40 м, диаметр — 214-270 мм). При разработке карьеров чаще всего используется буровой станок БТС 150 на базе гусеничного трактора Т-10М.

1. Станки ударно-вращательного бурения

Установки ударно-вращательного бурения отличаются от ударно-канатных и шарошечных агрегатов тем, что при разработке скважины их рабочий инструмент вращается не только в перерывах между ударами, а непрерывно. При этом забой углубляется за вхождения коронки в грунт в момент удара, а вращение обеспечивает очистку дна скважины от выработанной породы.

Основными признаками оборудования данного типа являются низкий крутящий момент и осевое усилие, при большой ударной нагрузке. Ударно-вращательное бурение демонстрирует максимальную производительность при работе на особо твердых и абразивных породах.

СБУ-125

Среди техники отечественного производства наиболее распространенными установки серии СБУ-125, способные разрабатывать вертикальные и наклонные скважины диаметром до 125 мм на глубину до 22 метров.  Все модели СБУ-125  обустроены на базе гусеничной углепогрузочной машины УП-3.

2.1 Станки колонкового бурения

Установки колонкового бурения чаще всего применяются при исследовательских и строительных работах. Основным их отличием от шнекового и ударного оборудования является то, что выработка грунта осуществляется не по всему периметру скважины, и лишь по радиусу колонкового снаряда, который представляет собой круглую трубу с наваренными на торец твердосплавными режущими зубьями.

При работе внутренняя полость колонкового снаряда заполняется вырезанным грунтом, после чего снаряд поднимается на поверхность и его содержимое извлекается. Такое принцип работы позволяет получать цельную породу, необходимую для проведения геодезических испытаний.

СКБ-4100

Также по колонковому принципу действуют все агрегаты для бурения отверстий в монолитных конструкциях из железобетона. Их рабочий инструмент оснащен специальными алмазными резцами, эффективно вскрывающими материал повышенной твердости.

Технология бурения шнеком

Процесс бурения скважин на воду вышеописанным методом имеет множество плюсов, один из которых заключается в скорости прохождения.

Одновременно с осуществлением бурения происходят продавливание и укладка стенок скважины, что помогает удерживать почву, исключая ее обрушение. Монтируемые стенки скважины могут быть выполнены из бетона или металла. Бурение скважин на воду таким способом не предполагает необходимости промывки колодца во время проведения процесса.

Данный метод бурения применим исключительно для таких скважин на воду, которые характеризуются незначительным дебитом.Посредством винтового шнека из забоя извлекается разрушенный грунт. Шнек представляет собой бурильную трубу, которая полностью обвита металлической лентой.

Шнековое бурение предполагает использование буровых механизмов, которые располагают подвижным вращателем. Шнеки сопрягаются резьбой или элементами, которые обладают фигурным сечением. Шаг подачи при работах ограничен максимальным пределом до 15 м.

Герметичные шнеки имеют полости и оснащены реверсивными замками, которые снабжены разными долотами. Сталь высокого качества, которая лежит в основе замковых соединений, характеризуется превосходной износоустойчивостью, что позволяет сократить время на бурение во много раз.

Виды шнековых буров.

Если шнековое бурение скважин ведется на участке с мягкими и рыхлыми грунтами, то лопасти долота следует располагать под углом в пределах от 30 до 60° относительно забоя. Если же бурение скважин таким способом производится на плотных грунтах или отложениях, в основе которых гравий и галька, то лопасти долота должны быть расположены под углом в 90° относительно забоя. Определять угол при ведении работ нужно в зависимости от твердости почвы, с которой предполагается работать.

Когда обустраивается скважина на воду, режущие детали инструмента высвобождают высокие температуры за счет разрушаемой почвы.

Отработанный грунт поступает наверх по спирали шнека. Объем отработанной породы при сохранении средней скорости транспортировки представляет примерно 0,2-0,4 от объема пространства. Технология предполагает сохранение частоты вращения бурового инструмента от 150 до 200 об/мин.

При обустройстве скважинна воду описываемым способом самыми эффективными можно считать шнеки, которые располагают центральным каналом. Именно он транспортирует воздух или воду посредством гидронасоса, что позволяет сделать трение при проведении работ более низким.

Технология предполагает заглубление до 50 м. В некоторых редких случаях бурение шнеком может быть осуществлено до глубины в 120 м. Если предполагается обустраивать глубокую скважину, то работы со шнеком часто совмещают с иными видами бурения.

Таким образом, при осуществлении шнекового бурения допустимо использовать технологию, которая предусматривает применение обсадных труб. Заменить ее можно тампонированием стен колодца бетоном, что происходит под давлением и с верхнего горизонта. Описанный вид бурения способен обеспечить скорость прохода в сутки до 30 м.

Схема шнековой буровой установки.

В станках для проведения бурения шнеком используются литые головки, режущие элементы и хвостовик. Рабочая поверхность лопасти часто наплавлена твердым сплавом. Если на участке перед проведением бурения были обнаружены особо твердые грунты, то буровая головка должна иметь в оснащении технические алмазы.

Глубина бурения шнеком осуществляется на габариты одной штанги, после станок отключается, штанга отсоединяется от шпинделя, чтобы появилась возможность ее поднять и нарастить посредством новой штанги. Затем проведение работ можно продолжить.

У шнекового бурения имеется и свой недостаток, который, правда, можно считать единственным: обустроенная скважина, как правило, обладает чрезвычайно маленьким дебитом.

Для проведения работ вам понадобятся следующие инструменты:

• шнековая установка;лопата;тележка.

Чертеж самодельного шнекового бура.

Процесс бурения скважин на воду посредством использования шнека исключает необходимость перемалывания и истирания отделенной от забоя почвы. Забой осуществляется в непрерывном режиме, параллельно происходит разрушение грунта.

При отделении от забоя грунта он поступает на винтовой шнек, вращающийся с высокой скоростью.

Центробежные силы, сопровождающие процесс, прижимают почву к стенкам колодца, тогда как постоянно движущаяся лента выталкивает грунт наверх. Часть почвы остается на стенках скважины. Такие технологии обеспечивают скорости проведения работ до четвертой категории пород по буримости.

Виды буровых способов

Ранее бурение водоносных скважин для личного пользования осуществлялось в основном ручным способом. Это было трудоёмкий и длительный процесс, поэтому не каждый владелец участка или дачи мог похвастаться наличием собственного источника водоснабжения. Постепенно механизированное бурение вытеснило ручные методы благодаря значительному облегчению и ускорению процесса.

Сегодня практически все водоносные скважины бурятся механизированным способом, который основан на разрушении грунта, подаче его на поверхность одним из двух способов: сухим, когда отработанный грунт убирается из скважины при помощи механизмов и гидравлическим, когда он вымывается водой, поданной под напором или самотёком.

Различают три основных способа механического бурения:

• Вращательный (грунт разрабатывается вращением).
• Ударный (бурснаряд разрушает грунт ударами).
• Вибрационный (грунт разрабатывается высокочастотными колебаниями).

Вращательный способ считается самым высокопроизводительным, в 3-5 раз превышающий по эффективности ударный и в 5-10 вибрационный. Кроме этого вращательный способ самый недорогой и доступный, его нередко применяют в качестве основного метода ручного бурения.

Механические вращательные способы бурения скважин на воду пришли на смену малоэффективным ручным методам

В свою очередь вращательный способ бурения, широко применяемый для сооружения скважин на воду, подразделяется на три основных вида бурения:

• колонковое;
• шнековое;
• роторное.

Каждый вид вращательного бурения имеет свои особенности и выполняется специально предназначенным для этого оборудованием. Рассмотрим эти виды бурения более подробно, определим, в чём их различия и какой метод необходимо применять в каждом конкретном случае.

Механическое бурение скважин на воду ↑

Из разновидностей бурения для артезианских скважин наиболее часто применяют вращательное роторное

Оно относится к бескерновым (используют шарошечные долота), и важной задачей становится своевременный вынос на поверхность разрушаемой по всей площади забоя породы. Способ этот скоростной, экономичный, но подходит не для всех пород, поэтому его комбинируют с другими видами, когда это требуется

Для устройства фильтровых скважин часто применяют шнековый метод

Для устройства фильтровых скважин часто применяют шнековый метод.

Метод шнекового бурения скважины на воду применяют, когда не требуется глубокий проход, а породы не являются твердыми (глубоко и в камнях бур попросту не пройдет: резец не справится). Фильтровые скважины на воду неглубоки (бурят только до песка), твердые породы располагаются ниже, поэтому шнековое бурение применяют чаще всего. Шнек — транспортер измельченной породы на поверхность, что делает этот вид бурения рациональным: не нужны дополнительные оборудование и мероприятия для подъема грунта; сразу видно, какой пласт проходит бур.

С применением шнекового способа бурения скважину на воду устраивают за один день в подавляющем большинстве случаев.

Установка для шнекового бурения скважины на воду

Этот метод бурения применяют для проходки глубоких скважин (в основном артезианских). Используют тяжелую технику: буровые агрегаты, смонтированные на базе грузовых автомобилей «Урал», «КамАЗ», «МАЗ», «ЗИЛ». Разрушение породы проводят вращающимся долотом. Крутящий момент от двигателя (маршевый двигатель автомобиля или палубный, установленный на платформе) посредством сцепления и карданного вала передается ротору, ротор вращает бурильную трубу. Шарошечное долото соединено с бурильной трубой УБТ (утяжеленная бурильная труба), увеличивающей нагрузку на забой.

Буровая установка на базе ЗИЛа

Бурение с промывкой (вращательное роторное) активно применяют в устройстве артезианских скважин. В процессе проходки верхних слоев используют глинистый раствор, в процессе проходки известнякового слоя — чистую воду. Задачи промывочной жидкости — охлаждение рабочего элемента, вывод на поверхность разрушаемой породы, закрепление стенок скважины в процессе работ, снижение силы трения, создание давления на продуктивный горизонт. Циркуляцию промывочной жидкости обеспечивает либо насос, либо компрессор, либо оба устройства.

Промывка бывает прямой и обратной. Применяя прямой способ, промывочный агент закачивают внутрь трубы, а обратно он поступает через затрубное пространство. Применяя обратный способ, промывочный агент закачивают в затрубное пространство, а на поверхность он поступает непосредственно через трубу. Выбор способа промывки каждый раз индивидуален (зависит от параметров скважины, результатов геологических исследований). Промывочный агент не только выносит на поверхность породу (что позволяет делать забор керна в процессе работ), но и помогает определить дебит будущей скважины (его прогнозируют по поглощению раствора).

Метод бурения с промывкой настолько прост и универсален, что его применяют в устройстве скважин всех типов

Обратную циркуляцию часто используют в бурении крупных скважин (большой диаметр кондуктора/обсадных труб) при проходе неустойчивых пород, в бурении с выносом керна. Продувка — то же, что промывка, но в качестве агента используют газ (скважину не промывают, а продувают).

Этапы колонкового бурения

До начала проведения работ нужно изучить кадастровый план и произвести подготовку рабочей поверхности. Необходимо обеспечить беспрепятственный подъезд к месту проведения бурения как самой бурильной установки, так и машины с промывочной жидкостью.

Следующим шагом будет рытье ямы объемом не меньше 2 куб.м – это позволит избежать необходимости использования дополнительного резервуар. Яма предназначена для слива грунтовых вод и отработанной промывочной жидкости. Для установки основной части ствола необходимо произвести пробивку грунта.

Далее выполняется соединение выбранной коронки с буровой колонковой трубой и подбора обсадных труб, которые по мере углубления будет наращиваться. Установку следует надежно закрепить, после чего производится запуск бурового станка.

Колонковая технология с промывкой забоя водой позволяет наиболее простым и оперативным способом освободить ствол выработки от разрушенной породы

По мере углубления и заполнения колонкового бура выполняется периодический его подъем на дневную поверхность и прочистка от грунта, захваченного инструментом в ходе бурения. После чего освобожденный от керна бур снова можно погружать в отверстие скважины для продолжения бурения.

Для подъема наверх колонну бурильных труб, состоящую из колонкового снаряда и штанг, разбирают. То есть последовательно отделяют штангу за штангой, пока не достанут из ствола колонковую трубу.

Оптимальным вариантом для разработки скважины частникам считается колонковое бурение, сопровождающееся промывкой. Никаких образцов отбирать в этом случае не нужно. Главное, быстро сформировать ствол и очистить его от шлама.Одновременно с тем выполняется подготовка выработки к предстоящей эксплуатации.

Для промывки можно использовать любую воду, вполне подойдет из соседнего пруда или речки. Бурение может производиться и всухую, если разрабатывается скважина на песок. Обычно в этом случае достаточно пары ведер воды в качестве бурового раствора лишь для охлаждения снаряда на забое.

По колонковой технологии производится бурение отверстий в бетонных и железобетонных конструкциях, фундаментах и кирпичных стенах

При работе в рыхлых маловлажных песках для укрепления стенок отверстия в рабочий раствор рекомендовано добавлять жидкое стекло либо глинистую массу. В любом случае при прохождении бура сквозь горизонт с неустойчивой структурой оправданным будет укрепление стенок скважины обсадными трубами.

Гидробурение

Осуществляется мощной струей воды из специального бурового инструмента. Преимущество технологии в том, что возможно гидробурение скважин в каменистой почве.

Нагрузка струи обеспечивается весом штанги и бурильной оснастки. В установку заливают специальный раствор, который потом направляется в подготовленный приямок.

Последовательность гидробурения своими руками:

• В первую очередь устанавливается малогабаритная конструкция или МБУ для гидробурения.
• Начинать работы лучше всего с утра.
• Если бурение происходит в песчаной почве, то необходим большой запас жидкости.
• Перед работой глина смешивается в раствор в подготовленном приямке. Замес выполняется посредством строительного миксера. Консистенция должна напоминать кефир.
• Далее по шлангам подается раствор к работающему буру.
• Постепенно жидкость шлифует стенки и углубляется в почву. Раствор используется по кругу.

Эта технология содействует дополнительному усилению стенок образующегося источника.

Особенности технологии роторного бурения скважин

Процесс бурения организован так, что из-за вымывания слоя почвы из шахты буровая колонна с каждым движением углубляется все ниже. Периодически ее необходимо наращивать добавлением других труб.

Процесс бурения выполняется ступенчато:

• Пройдя первые рыхлые слои грунта, колонну поднимают, а в шахту опускают обсадную трубу.
• Зазор по кругу заполняют раствором цемента.
• После застывания цемента в шахту подают долото с меньшим диаметром, и работа продолжается дальше.

Таких аналогичных шагов может выполняться несколько, а затем в шахту опускается перфорированная на конце эксплуатационная труба. В зависимости от качества почвенного пласта и глубины выбирают количество и массу труб, вид долота, скорость его вращения и материал кромок, давление промывочной жидкости. Специфика такова:

• Легкие породные пласты проходят с максимальной скоростью и наибольшей промывкой.
• Скалистые почвы требуют пониженной частоты и уменьшенного давления жидкости.

Помешать работам могут грунтовые твердые включения – валуны – на пути ротора, который может заклинило, или почвы, активно поглощающие промывку. Также замедляет процесс нехватка воды в месте проведения работ и наличие большого глинистого слоя. Глина, смешиваясь с водой, закупоривает водяное русло и требует дополнительной тщательной промывки.

Смена породоразрушающего инструмента

Несмотря на тщательно просчитанную геометрию лопастей и армирование твёрдыми сплавами, долото буровое всегда будет самым изнашиваемым инструментом роторной буровой установки. Его регулярная замена — неотъемлемая составляющая рабочего процесса. Для этих целей используются так называемые «свечи» — блоки из нескольких труб. В зависимости от высоты буровой вышки и глубины скважины, длина свечи может варьироваться от 20 до 50 м. С целью упростить свинчивание, трубы оснащают замками с конической резьбой.

Ручное бурение скважины

Чаще всего, дачники интересуются, как пробурить скважину своими руками, а не просто колодец. Потребуется наличие такого оборудования для бурения скважин, как бур, бурильная вышка, лебедка, штанги и обсадные трубы. Бурильная вышка нужна для рытья глубокой скважины, с ее помощью осуществляется погружение и подъем бура со штангами.

Роторный способ

Самым простым методом устройства скважины для воды является роторный, осуществляемый при помощи вращения бура.

Гидробурение неглубоких скважин на воду можно осуществить без вышки, а бурильную колонну доставать вручную. Бурильные штанги делаются из труб, соединяя их между собой при помощи шпонок или резьбы.

Штанга, которая будет находиться ниже всех, дополнительно оборудуется буром. Режущие насадки делаются из листовой 3 мм стали. Во время заточки режущих кромок насадки нужно учитывать, что в момент вращения механизма бура они должны врезаться в почву по часовой стрелке.

Вышку монтируют над местом бурения, она должна быть выше бурильной штанги для того чтобы во время подъема облегчить извлечение штанги. После этого выкапывается направляющее углубление для бура глубиной примерно на два штыка лопаты.

Первые витки вращения бура вполне под силу сделать самостоятельно, но при большем погружении трубы потребуются дополнительные силы. В случае если бур невозможно вытащить с первого раза, нужно повернуть его против часовой стрелки и попытаться вновь его вытащить.

Чем сильнее углубляется бур, тем сильнее затрудняется движение труб. Чтобы облегчить эту задачу, грунт необходимо размягчать, поливая водой. При продвижении бура вниз через каждые 50 см бурильную конструкцию необходимо вынимать на поверхность и очищать от грунта. Цикл бурения повторяется заново. В момент достижения рукоятки инструмента уровня земли конструкцию наращивают дополнительным коленом.

По мере заглубления бура, вращения трубы затрудняется. Облегчить работу поможет размягчение грунта с помощью воды. В ходе продвижения бура вниз через каждые полметра бурильную конструкцию следует доставать на поверхность и освобождать от грунта. Цикл бурения повторяется вновь. На этапе, когда рукоятка инструмента сравняется с уровнем земли, конструкцию наращивают дополнительным коленом.

Так как подъем и очистка бура отнимают большую часть времени, нужно максимально пользоваться возможностями конструкции, захватывая и поднимая наверх как можно большую часть почвы. Таков принцип работы данной установки.

Бурение продолжается до тех пор, пока не будет достигнут водоносный слой, его легко определить по состоянию вынимаемой земли. Пройдя водоносный слой, бур следует погрузить еще немного глубже, пока не достигнет слоя, который располагается ниже водоносного, водоупорного. Достижение данного слоя даст возможность обеспечить максимальный приток воды в скважину.

Стоит заметить, что ручное бурение можно применять только для погружения до ближайшего водоносного слоя, обычно он залегает на глубине, не превышающей 10-20 метров.

Для того чтобы откачивать грязную жидкость, можно воспользоваться ручным насосом или насосом погружного типа. После того как будут откачаны два-три ведра грязной воды водоносный слой как правило очищается и появляется чистая вода. В случае если этого не происходит – скважину требуется углубить примерно еще на 1-2 метра.

Шнековый способ

Для бурения довольно часто используется шнековая установка. Рабочая часть этой установки очень сильно похожа на садовый бур, только намного мощнее. Он делается из 100-мм трубы с наваренными на нее парой витков шнека имеющими диаметр 200 мм. Для того чтобы сделать один такой виток, нужна круглая листовая заготовка с прорезанным в ее центре отверстием диаметр которого немного больше 100 мм.

Затем у заготовки по радиусу делается разрез, после этого в месте разреза кромки разводят в двух разных направлениях, которые перпендикулярны плоскости заготовки. По мере того, насколько глубоко погружается бур, штангу, на которой он крепится, наращивают. Инструмент вращается вручную при помощи длинной ручки, изготовленной из трубы.

Бур необходимо извлекать примерно через каждые 50-70 см, а из-за того, что, чем больше он будет углубляться, он будет становиться тяжелей, поэтому потребуется установить треногу с лебедкой. Таким образом, можно пробурить скважину для воды в частном доме несколько глубже, нежели вышеперечисленными способами.

Можно также использовать ручной метод бурения, который основывается на использовании обычной дрели и гидропомпы:

Колонковое бурение

Технология предусматривает применение забойного инструмента диаметром до 150 мм. Он эффективен при устройстве глубоких скважин, которые строят в разведывательных целях, или артезианских водоразборов, располагающихся на участках со скальными породами. Для бурения применяют самоходные установки. Возможно устройство наклонных и вертикальных скважин.

Основные аргументы в пользу выбора колонкового бурения:

• метод эффективен в работе на участках с породами высокой прочности, песчаными, глинистыми грунтами;
• устойчивость стенок забоя к обрушениям из-за включения в состав технологического раствора укрепляющих эмульсий;
• заглубление с промывкой – до 85 % общего объёма;
• высокая скорость строительства скважин.

Его выбирают на участках с однородной породой. Повышенной экономичностью отличается колонковый метод, который сопровождается продувкой забоя воздухом. Себестоимость технологии снижается за счёт отсутствия необходимости подготовки промывочных жидкостей.

Особенностью колонкового бурения – возможность увеличения диаметра скважины в процессе строительства, поэтому ограничения по диаметру инструмента не стоит принимать как весомый недостаток технологии. Но есть ограничения по мощности насосных погружных агрегатов, связанные с габаритами оборудования.

Каждый из используемых методов требует предварительного исследования участка профильными специалистами для определения параметров забоя, характеристик грунта, глубины водоносного слоя. Учитывается плотность застройки, наличие подъездных путей, требования к сохранению ландшафта (на этапе строительства практически нет ограничений в отличие от ситуации, когда бурение выполняется на облагороженной территории).