Шнековое бурение – распространенный способ подготовки скважин, при котором шнек совершает вращательное движение, разрушает грунт и поднимает его на поверхность. Технология эффективна в отношении мягких, рыхлых и пород средней твердости, применяется для бурения неглубоких выработок.

Старый проверенный метод практически не меняется со временем. Технология шнекового бурения признана перспективной, совершенствуется за счет:

• повышения мощности установок;
• использования съемных керноприемников (устройств для приема проб);
• комбинирования с другими типами бурения (продувка, промывка);
• организации непрерывной выемки грунта.

Технология шнекового бурения

Шнековое бурение – это бурение шнеком, который представляет собой трубу, с внешней ее стороны предусмотрена улитка (спиральная стальная лента). На нижнем конце трубы имеется режущий наконечник съемного типа. Долото врезается в породу, таким образом погружаясь и разрушая грунт. Рыхлая почва движется по реборде (стальной ленте) как по транспортеру и подается наверх.

Буры, которыми оканчиваются шнековая колонна, достаточно разнообразны по конструкции. Чаще всего при шнековом способе бурения применяют двух- и трехлопастное долото со ступенчатой режущей кромкой. Резцы армируют твердыми сплавами, иногда техническими алмазами. При бурении мягких и рыхлых пород применяют долота, лопасти которых расположены под углом 30-60 по отношению к забою, при работе с плотными породами – долота с лопастями, обращенными к забою под прямым углом.

За счет того, что трение разрушенной породы о стенки выработки больше, чем трение о стенки шнека, масса скользит по спирали и выходит наружу. При этом режущие кромки бура при контакте с породой охлаждаются. Нормой считается заполнение межвиткового пространства породой на 0,2-0,4 объема, в среднем камеры наполняются на 30%.

Шнековый способ бурения применяют для подготовки скважин глубиной до 50 м (реже до 80-120 м), диаметром от 60 до 600-800 мм. Ствол инструмента можно наращивать, шнеки соединяют друг с другом посредством фигурных элементов или резьбы.

• Шнековое бурение рыхлых грунтов выполняют с применением обсадных труб или делают тампонирование бетоном.
• При работе с породами средней плотности шнек при проходке уплотняет стенки скважины и дополнительно укреплять ее нет необходимости.
• Глубокие скважины бурят, комбинируя шнековый метод с такими, как, например, канатно-ударный. При наличии валунов или твердых пластов шнек не справляется, прочные породы приходится разрушать дополнительным оборудованием.

Колонна приводится в движение энергией двигателя (электрического или топливного). Мощность мотора выбирают такую, чтобы она в 1,5 раза превышала технические характеристики долота. Частота вращения шнеков диаметром до 100 мм составляет диапазон от 150 до 500 об/мин, при диаметре шнека 150-200 мм – от 80 до 200 об/мин.

Наибольшую эффективность демонстрируют установки, укомплектованные шнеком с центральным каналом. Такая конструкция позволяет подавать к забою воду или воздух для снижения крутящего момента и трения грунта о шнек. Полую трубу используют как обсадную колонну. По каналу в скважину опускают:

• взрывчатку;
• фильтры;
• пенетрационные зонды;
• съемные керноприемники;
• обуривающие и забивные грунтоносы.

При необходимости перекрытия центрального канала используют бурильные трубы или съемное долото на канате.

В зависимости от специфики производственных задач при шнековом бурении используют:

• компактные и легкие ручные мотобуры;
• малогабаритные буровые шнековые установки на колесном или гусеничном ходу массой до 1 т;
• тяжелые бурильные комплексы на шасси грузовиков и снегоболотоходов.

Различают рейсовый и поточный способы бурения шнековым буром. При рейсовом применяют шнеки, наращиваемые до нужной глубины штанговыми удлинителями. Забуриваясь, шнековый бур наполняется и извлекается из скважины. После сброса породы шнек снова погружают за следующей порцией грунта. Поточный метод предполагает постоянную выемку породы из забоя.

Порядок работ шнекового метода бурения

Перед началом горизонтального и вертикального шнекового бурения готовят площадку для размещения оборудования. Его устанавливают на специальную платформу, предусматривают меры безопасности. Состав работ включает такие мероприятия как:

• рытье котлована для складирования изымаемых грунтов;
• определение направление бурения с помощью лазерных приборов;
• подготовка обсадной трубы;
• погружение бура на нужную глубину.

Область применения шнекового бурения

Технологию шнекового бурения применяют, в основном, для подготовки скважин глубиной до 20 метров. Работы выполняют с помощью шнеков небольшого диаметра (до 1500 мм). Чаще всего метод рекомендуют применять на грунтах III-X категорий крепости по классификации Протодьяконова. При бурении твердых пород категорий III-IV необходимо использовать профессиональный рабочий инструмента, привлекать к работам мастеров высокой квалификации.

Шнековое бурение применяют при выполнении таких задач как:

• взятие проб грунта на разных глубинах;
• посадка саженцев;
• монтаж винтовых свайных фундаментов, подпорных стенок;
• лидерное бурение для установки свай;
• сооружение гидрогелогических скважин;
• установка столбов, дорожных знаков, ограждений, ворот, столбов, опор ЛЭП, мачт;
• геодезическая съемка;
• устройство гидротехнических сооружений;
• бурение на воду при неглубоком залегании.

Технологию шнекового бурения применяют при взрывных работах, при ведении геологоразведки, изучении сейсмической обстановки, при инженерно-геологических изысканиях.

Чем шнековое бурение отличается от роторного и колонкового

Разница роторного и шнекового бурения при том, что и в том, и в другом случае применяется металлическая колонна с долотом, заключается в способе выемки пород. При роторном методе грунт из скважины не транспортируется наверх по реборде, а выдувается или вымывается глинистым раствором.

Сравнительная таблица

Параметры	Шнековое бурение	Роторное бурение
Глубина бурения	От 1,5 до 120 метров	10 км
Условия работы	До – 200 С	Плюсовые температуры
Для каких грунтов подходит	Практически для любых грунтов	Рекомендован для сухих мягких пород
Скорость	Высокая, работа ведется одним инструментом без остановок	Необходимо часто менять насадки, поэтому скорость не высокая
Себестоимость	Низкая	Дорогостоящий метод из-за сложной технологии: монтаж осадочных колец, вымывание, выдувание

Разница колонкового и шнекового бурения состоит в том, что в первом случае буровой снаряд представляет собой толстостенную трубу. Песчаный или плотный грунт при колонковом бурении вынимается в виде керна цилиндрической формы. Разрушение породы выполняется посредством полой трубы с режущей кромкой.

При поступательно-вращательном погружении снаряда в полость трубы набирается и удерживается порода. Извлекают грунт после поднятия трубы на поверхность, постукивая по стенкам кувалдой. Колонковый метод позволяет выбуривать массивы без нарушения структуры и состояния горных пород.

Шнековый метод бурения применяют во многих ситуациях, в том числе для инженерно-геологических изысканий или, при устройстве водяных скважин при неглубоком залегании водоносного слоя. Технология используется круглогодично, подходит для работы на мягких грунтах.

Роторное бурение востребовано на твердых грунтах, при глубинной разведке, при устройстве артезианских скважин. В зимнее время способ неприменим по причине замерзания промывочной жидкости. В районах с дефицитом воды и глины роторное бурение организовать проблематично.

Колонковая буровая технология позволяет с наибольшей точностью определить глубину залегания той или иной породы, поэтому широко применяется в геологоразведке и горнодобывающей отрасли. Кроме того, метод востребован в строительстве:

• для инженерно-геологического обследования с целью определения состояния пород, характеристик грунтов;
• для отбора проб воды для выявления агрессивности в отношении бетона;
• для монтажа свай.

Колонковый способ используют в промышленном и частном водоснабжении при устройстве водозаборов, единичных скважин.

Преимущества и недостатки шнекового бурения

Вращательное шнековое бурение выигрывает у других альтернативных методов выемки грунта, прежде всего, за счет универсальности и низкой себестоимости. Способ применяют в разведке, строительстве, при добыче питьевой воды, при коммунальных работах. Небольшой расход бурового инструмента при шнековом бурении и использование оборудование с высоким КПД, умеренным энергопотреблением позволяют относить технология к числу экономичных. Среди других преимуществ шнекового метода:

• высокая скорость работ даже в сложных условиях;
• простота;
• возможность подготовки вертикальных скважин, горизонтальных проколов и бурения под углом;
• подготовка скважин большого диаметра;
• возможность бурения зимой, по мерзлому грунту;
• высокая точность точек входа и выхода, возможность сохранения проектного уклона проходки;
• уплотнение скважины при проходке, укрепление ее стенок и предотвращение риска обвала стенок.

К минусам шнекового бурения принято относить невозможность подготовки глубоких скважин, неприемлемость в отношении очень плотных грунтов, скальных пород. При работе на вязких, глинистых почвах возникают серьезные препятствия. Изымаемый материал налипает на лопасти, стенки шнека, теряется производительность, скорость проходки.

Эффективное бурение скважин шнеком возможно только при быстром вращении шнековой колонны, которая имеет крупные габариты и массу. Следовательно, требуется задействование мощных буровых установок. А это влечет необходимость приобретения дорогостоящего оборудования. Впрочем, затраты на покупку техники окупаются за счет ее надежности, долговечности, низких эксплуатационных расходов, высокой ремонтопригодности.

При выборе способов бурения и технического обеспечения технологии руководствуются инженерными расчетами, предполагаемыми условиями эксплуатации установок и степени их нагрузки.

Практики рекомендуют выбирать в качестве оснастки для шнекового бурения скважин пустотелые шнеки. Циркулирующий внутри трубы воздух создает условия для естественного охлаждения реборды и самой колонны. Возможность подачи по каналу воды позволяет размягчать грунт, тем самым предупреждают преждевременный выход бура из строя, продлевают эксплуатационный ресурс оснастки и оборудования в целом. Обработка сухого грунта негативно сказывается на состоянии бура, рабочие грани его быстро изнашиваются.