Скважина, как мы знаем — это горная выработка круглого сечения малого диаметра и большой протяженности. А любая горная выработка предполагает выемку грунта или горной породы. Извлечение породы при бурении глубоких скважин производится промывочной жидкостью в процессе ее циркуляции в стволе.
Эффективным способом сооружения неглубоких скважин является шнековое бурение. Обширное применение шнекового бурения началось в шестидесятых годах прошлого столетия. Сегодня шнековое бурение используется для создания водозаборных скважин и установки свай. Большой объем шнекового бурения выполняется для сейсморазведки. Глубина скважины для закладки заряда может составлять от 5 до 50 метров.
Буровой шнек – это инструмент, состоящий из цилиндрического вала с расположенной на нем пластиной, свернутой в спираль, которая называется шнековой ребордой. Существуют также полые шнеки, реборда которых приваривается к трубе.
При шнековом бурении порода удаляется самим бурильным инструментом без использования промывки. Шнек подобно штопору вворачивается в грунт.
Для врезки в грунт и разрушения породы шнек оснащается долотом. Под воздействием продольного усилия и вращения долото крошит породу на забое скважины. Кусочки измельченной долотом породы попадают на шнековую реборду и при вращения шнека поднимаются на поверхность. При этом часть шлама центробежными силами вдавливается в стенки скважины, укрепляя ее ствол.
Прообразом шнека является винт Архимеда.
Шнековое бурение выполняют специальными буровыми установками.
Скважины глубиной 3-5 метров и диаметром 150-800 мм под столбы заборов, опоры ЛЭП, опоры уличных фонарей сооружают гидробурами. Гидробуры используются как дополнительное навесное оборудование для строительных машин: экскаваторов, погрузчиков, бульдозеров.
Гидробур – это гидравлический мотор передающий крутящий момент буровому шнеку. Подробнее об устройстве гидромоторов можно почитать в статье: «Гидравлические машины».
Для проводки более глубоких скважин используются бурильно-шнековые машины. Например, установка МБШ-309 может бурить скважины глубиной до 50 метров, в зависимости от диаметра шнека.
Шнеки изготавливаются различных конструкций и длины, в зависимости от типа грунта и приводных установок. Обычно ребордная пластина бывает толщиной 5-6 мм, а ширина соответствует рабочему диаметру долота, из условия, что диаметр долота превышает диаметр шнека на 15 мм. Шаг ребордного винта составляет 0,7-0,9 от диаметра шнека.
Соединения шнеков могут быть резьбовыми, шлицевыми или гранеными.
Понятно, что для проходки скважины глубиной более пяти метров бурильный инструмент наращивают. Углубив ствол на длину шнека, вращение и подачу гидробура останавливают. Гидромотор отсоединяют от шнековой колонны. Цепляют к вращателю следующий шнек и соединяют его со шнековой колонной, оставленной в скважине. При наращивании, реборды отдельных шнеков плотно стыкуются между собой, создавая единую винтовую колонну. Затем бурение продолжают.
При бурении единой шнековой колонной происходит одновременный подъём и вынос выбуренной породы на дневную поверхность. Так ведется непрерывное потоковое шнековое бурение.
Извлечение шнеков из скважины производят в обратном порядке.
При спуско-подъемных операциях шнековая колонна удерживается в скважине с помощью спайдера, который крепится к ногам мачты буровой установки.
Простейшим инструментом для подвески шнеков является П-образная подкладная вилка, опирающаяся непосредственно на грунт.
Также шнековое бурение может быть рейсовым. При рейсовом методе используют колонну, собранную только из шнеков или комбинированную компоновку. Нижняя часть комбинированной колонны состоит из шнеков с долотом, а верхняя - из бурильных труб или штанг.
Углубившись на требуемый интервал, вращение и подачу останавливают. Затем буровую колонну извлекают вместе с выбуренной породой. Шнеки освобождают от шлама и снова спускают в скважину, разбуривают следующий интервал.
Очевидно, что рейсовый метод является не самым производительным. Однако рейсовая технология позволяет доставать образцы породы с мало нарушенной структурой и с более точной привязкой их к глубине скважины, что важно для инженерно-геологических изысканий.
Для получения образцов породы также используют полые шнеки с большим диаметром трубы, позволяющим помещать внутри колонны съемный керноприемник-грунтонос.
Полностью винтовые бурильные колонны всегда производительнее, но дороже, чем шнекобур с удлинителями-штангами. Для скважин глубиной до десяти метров рациональнее применять рейсовый способ. Более глубокие скважин выгоднее бурить непрерывным потоком.
Бурение полностью винтовой колонной обеспечивает вертикальность и точность диаметра ствола. Поэтому потоковой технологией сооружают скважины для последующей забивки в них свай.
Также потоковую проходку применяют для бурения стволов под направления при строительстве нефтяных и газовых скважин.
Подробнее об эксплуатационном бурении на нефть можно почитать в статье: «Бурение скважины. Часть первая.»
Недостатком шнекового бурения является ограничение по максимальной глубине, которой можно достичь без использования дополнительного оборудования.
Далее читаем следующую статью: «Бурение астероида. Введение.»