Статьи

Как выбрать бурильный шнек для различных видов грунтов

Бурильный шнек — ключевой элемент оборудования для бурения скважин, играющий важную роль в эффективности и качестве буровых работ. Правильный выбор шнека не только обеспечивает высокую скорость проходки и качество скважины, но и влияет на долговечность оборудования, энергозатраты и общую экономическую эффективность буровых работ.

Понятие бурового шнека

Буровой шнек представляет собой специализированный инструмент, состоящий из центральной полой трубы, на которую навита спиральная кромка (реборда), обычно имеющая режущие края. Основное назначение шнека — не только эффективно углубляться в различные типы грунта, но и одновременно транспортировать разрушенную породу на поверхность.

Конструкция шнека обычно включает три основных элемента:

Труба — центральная ось шнека, обеспечивающая его прочность и жесткость.
Режущий элемент (долото) — располагается на нижнем конце шнека и отвечает за разрушение породы.
Реборда — спиральная лента, навитая на трубу, которая обеспечивает транспортировку разрушенной породы.

Принцип работы бурового шнека

Работа бурового шнека основана на сочетании вращательного и поступательного движения. При вращении шнека режущий элемент разрушает породу, которая затем захватывается ребордой и транспортируется вверх по винтовой поверхности. Этот процесс происходит непрерывно, что обеспечивает одновременное бурение и очистку скважины.

Эффективность работы шнека зависит от правильного соотношения между скоростью вращения и скоростью подачи. Слишком быстрое вращение может привести к излишнему измельчению породы и затруднению её подъема, в то время как слишком медленное вращение может снизить скорость бурения.

Классификация буровых шнеков

Буровые шнеки можно классифицировать по нескольким параметрам, каждый из которых влияет на выбор шнека для конкретных условий бурения.

По конструкции:

Обычные шнеки — стандартная конструкция с равномерно распределенной ребордой по всей длине трубы.
Утяжеленные шнеки — имеют увеличенную толщину реборды, что позволяет работать в более твердых грунтах.
Магазинные шнеки — оснащены внутренней разъемной гильзой, что позволяет извлекать образцы грунта в процессе бурения.
Полые шнеки — имеют увеличенный диаметр центральной трубы, что позволяет использовать их для бурения с одновременной обсадкой скважины.

По форме винтовой части:

Лопастные шнеки — имеют широкую спиральную ленту, эффективны в мягких и средних грунтах.
Перовые шнеки — имеют узкую спиральную ленту, лучше работают в плотных и твердых грунтах.

По углу наклона лопастей реборды:

С прямым углом (90°) — обеспечивают хорошее измельчение породы, но могут вызывать засорение скважины.
С отогнутыми лопастями (30-70°) — меньше измельчают грунт, что снижает риск засорения скважины.

По назначению:

Для бурения под сваи — обычно большого диаметра, используются в строительстве.
Для геологических исследований — оснащены специальными приспособлениями для отбора проб грунта.
Универсальные — подходят для различных видов буровых работ.

Факторы, влияющие на выбор бурового шнека

При выборе бурового шнека необходимо учитывать комплекс факторов, каждый из которых может существенно повлиять на эффективность бурения.

Тип грунта

Тип грунта — важнейший фактор при выборе шнека. Грунты классифицируются по категориям буримости, которые учитывают физико-механические свойства породы и её способность сопротивляться проникновению бурового инструмента.

Категории буримости грунтов (по шкале профессора М.М. Протодьяконова):

I категория — очень мягкие породы (песок, супесь)
II категория — мягкие породы (лёсс, суглинок)
III категория — породы средней твердости (глина, мергель)
IV категория — твердые породы (известняк, песчаник)
V категория — очень твердые породы (гранит, базальт)

Глубина бурения

Глубина бурения влияет на выбор типа шнека и способа бурения. С увеличением глубины возрастают нагрузки на шнек, что требует использования более прочных и специализированных конструкций.

Диаметр скважины

Диаметр скважины определяет размер шнека и влияет на выбор его конструкции. Большие диаметры требуют использования специальных шнеков с усиленной конструкцией.

Мощность буровой установки

Мощность буровой установки ограничивает выбор шнека. Более мощные установки позволяют использовать шнеки большего диаметра и работать с более твердыми породами.

Тип соединения с буровой установкой

Тип соединения должен соответствовать используемой буровой установке. Наиболее распространены резьбовые соединения и различные типы хвостовиков.

Условия работы

Необходимо учитывать такие факторы, как наличие грунтовых вод, мерзлые грунты, наличие крупных включений (валунов, корней деревьев) и т.д.

Выбор шнека в зависимости от типа грунта

Мягкие грунты (I-II категории)

Для мягких грунтов (песок, супесь, суглинок) подходят обычные шнеки с абразивными зубьями. Эти шнеки эффективно разрушают и транспортируют грунт на поверхность.

Рекомендации:

Использовать шнеки с широкой ребордой для лучшего захвата и транспортировки грунта.
Выбирать шнеки с небольшим углом подъема спирали (20-30°) для предотвращения преждевременного высыпания грунта.
Применять режущие элементы с острыми гранями для эффективного разрушения мягкого грунта.

Грунты средней твердости (III категория)

В грунтах средней твердости (плотная глина, мергель) лучше использовать утяжеленные шнеки. Они обеспечивают более высокую скорость проходки при меньших энергозатратах.

Рекомендации:

Выбирать шнеки с усиленной ребордой для лучшего сопротивления износу.
Использовать режущие элементы с твердосплавными напайками для повышения износостойкости.
Применять шнеки с оптимальным соотношением диаметра трубы и высоты реборды для эффективного удаления разрушенной породы.

Твердые грунты (IV категория)

Для твердых грунтов (известняк, песчаник) рекомендуется использовать скальные шнеки с усиленными режущими элементами.

Рекомендации:

Выбирать шнеки с меньшим шагом спирали для лучшего дробления породы.
Использовать режущие элементы из высокопрочных сплавов или с алмазным напылением.
Применять шнеки с дополнительными режущими элементами на реборде для более эффективного разрушения породы.

Очень твердые грунты (V категория)

В случае очень твердых грунтов (гранит, базальт) шнековое бурение малоэффективно. В таких условиях рекомендуется использовать альтернативные методы бурения или специальные конусные буры.

Рекомендации:

Рассмотреть возможность использования других методов бурения (ударно-канатное, роторное).
При необходимости использования шнекового бурения выбирать специальные шнеки с усиленной конструкцией и высокопрочными режущими элементами.
Применять шнеки с системой промывки для лучшего охлаждения режущих элементов и удаления разрушенной породы.

Выбор шнека в зависимости от глубины бурения

Глубина бурения существенно влияет на выбор типа шнека и способа бурения:

Малая глубина (до 10 метров)

Можно использовать обычные шнеки с рейсовым способом бурения.
Рекомендуется применять шнеки с оптимальным соотношением длины и диаметра для обеспечения устойчивости при бурении.

Средняя глубина (10-20 метров)

Рекомендуется использовать утяжеленные шнеки для лучшей передачи крутящего момента.
Применять шнеки с усиленным соединением между секциями для предотвращения разъединения в процессе работы.

Большая глубина (свыше 20 метров)

Рекомендуется применять полые шнеки и поточный способ бурения.
Использовать специальные шнеки с системой промывки для улучшения выноса породы и охлаждения бурового инструмента.
Выбирать шнеки с оптимизированной геометрией спирали для снижения энергозатрат при подъеме породы.

Выбор шнека в зависимости от диаметра скважины

Диаметр скважины определяет размер шнека и влияет на выбор его конструкции:

Малый диаметр (до 300 мм)

Подходят обычные шнеки.
Рекомендуется выбирать шнеки с оптимальным соотношением диаметра трубы и высоты реборды для эффективного удаления породы.

Средний диаметр (300-600 мм)

Рекомендуются утяжеленные шнеки.
Применять шнеки с усиленной конструкцией для противодействия повышенным нагрузкам.
Использовать шнеки с оптимизированной геометрией спирали для улучшения транспортировки большого объема породы.

Большой диаметр (свыше 600 мм)

Требуются специальные шнеки большого диаметра или магазинные шнеки.
Рекомендуется использовать шнеки с секционной конструкцией для облегчения транспортировки и монтажа.
Применять шнеки с дополнительными режущими элементами на реборде для более эффективного разрушения породы по всему диаметру скважины.

Выбор шнека в зависимости от мощности буровой установки

Мощность буровой установки напрямую влияет на выбор типа шнека:

Маломощные установки

Используются шнеки типа А с меньшим диаметром и высотой реборды.
Рекомендуется выбирать шнеки с оптимизированной геометрией для снижения необходимого крутящего момента.
Применять легкие сплавы в конструкции шнека для уменьшения общего веса бурильной колонны.

Мощные установки

Применяются шнеки типа В с большим диаметром и высотой реборды.
Рекомендуется использовать шнеки с усиленной конструкцией, способные выдерживать высокие нагрузки.
Выбирать шнеки с дополнительными режущими элементами для более эффективного использования доступной мощности.

Дополнительные факторы при выборе шнека

Наличие грунтовых вод

При работе в водонасыщенных грунтах необходимо учитывать следующие аспекты:

Использовать шнеки с увеличенным шагом спирали для лучшего отвода воды и грунтовой массы.
Применять шнеки с антикоррозионным покрытием для защиты от агрессивной среды.
Рассмотреть возможность использования полых шнеков с системой откачки воды.

Мерзлые грунты

Бурение в условиях вечной мерзлоты требует особого подхода:

Использовать шнеки с усиленными режущими элементами, способными разрушать мерзлый грунт.
Применять шнеки с увеличенным расстоянием между витками спирали для предотвращения намерзания грунта.
Рассмотреть возможность использования шнеков с подогревом для более эффективного разрушения мерзлого грунта.

Наличие крупных включений

При работе в грунтах с валунами или крупными корнями деревьев:

Использовать шнеки с усиленной конструкцией, способной выдерживать ударные нагрузки.
Применять шнеки с специальными режущими элементами, способными разрушать или обходить крупные включения.
Рассмотреть возможность комбинирования шнекового бурения с другими методами (например, ударно-канатным) для преодоления препятствий.

Заключение

Выбор правильного бурового шнека — ключевой фактор успешного бурения. Учет типа грунта, глубины бурения, диаметра скважины, мощности буровой установки и типа соединения позволит подобрать оптимальный шнек для конкретных условий работы. Это обеспечит высокую производительность, качество скважины и долговечность оборудования.

Помните, что правильно подобранный буровой шнек не только повышает эффективность работ, но и существенно снижает риски аварий и поломок оборудования, что в конечном итоге приводит к экономии времени и средств.