7.10. Шнековое бурение

Шнековый способ бурения имеет специфические особенности, заключающиеся в том, что удаление разрушенной породы производится не промывочной жидкостью (или ГЖС), а шнеками, являющимися вертикальным винтовым транспортером. Подача породы на лопасть шнека производится долотом при наличии подпора нижних слоев породы при ее разрушении. Шнековое бурение эффективно при проходке скважин в мягких (I-III) и средней твердости (IV-VI) породах на небольшую глубину; при этом обеспечивается высокая механическая скорость проходки, отпадает необходимость в промывке скважины, что особенно важно при бурении на воду. Производительность шнекового бурения в зависимости от состава пород и глубины скважины изменяется в пределах от 300-500 до 1500-5000 м/ст.-мес.

Недостатки шнекового бурения:

• Невозможность бурения в породах высокой твердости.

• Осложнения при бурении в липких и вязких глинах из-за налипания их на шнеки.

• Большие мощности, потребляемые при бурении.

• Большой расход долот и шнеков при проходке твердых и абразивных пород.

• Ограниченность глубины бурения (50-80 м).

• Сложность геологической документации.

7.10.1. Буровой инструмент

Буровая колонна при этом виде бурения состоит из отдельных шнеков с быстросъемными безрезьбовыми соединениями. Шнеки в наборе разных диаметров поставляются в комплексе специальных буровых установок:

Тип установки	Мотобур М-1			КМ-10		УКБ-12/25			УПБ-100		УРБ-1В2
Диаметр долота, мм	43	65	92	70	105	70	105	140	76	112	146
Диаметр шнека, мм	38	58	82	62	96	62	96	130	70	100	135
Глубина бурения, м	7-10			10	5	5	10	15	25	15	30

Тип установки	УРБ-2А2	УГБ-1ВС		ЛБУ-50	УШ-1Т	УШ-2Т
Диаметр долота, мм	145	156	198	215	145	175
Диаметр шнека, мм	135	135	180	200	135	180
Глубина бурения. м	30	50		50	30	60

Шнек представляет собой трубу с навитой на ней спиралью (рис. ). Спираль получают путем навивки стальной ленты, обычно толщиной 5 мм на винтовую оправку, которая вращается в шпинделе токарного станка. Спираль растягивают на трубе и приваривают. На конце трубы приваривают элементы соединения. Соединение может быть шестигранным с фиксированным пальцем, шпоночно-шлицевое, резьбовое. Параметры шнековой колонны должны обеспечивать подъем всей породы разбуренной долотом на забое. В тоже время скорость углубки при бурении не должна, во избежание пробок, превышать транспортных возможностей применяемых шнеков. В табл. [ ] приведены соотношения основных конструктивных размеров шнеков, полученных с учетом теории шнековых транспортеров и принятых в практике работ. Диаметр трубы определяется исходя из прочности замкового соединения и необходимой ширины полосы, которая, в свою очередь, должна обеспечить размещение и удаление выбуренной породы. Порода движется по шнеку вверх тем эффективнее, чем выше скорость вращения шнека, так как увеличивается центробежная сила частиц породы, перемещающая их к стенкам скважины и при контакте с ней частицы перемещаются вверх. При бурении по абразивным породам для снижения износа шнеков на их наружную кромку наворачивается стальная полоса или выполняется наплавка твердого сплава. При высокой скорости бурения (для обеспечения более полного удаления разрушенной породы из зоны долота) над долотом помещают переходник с двухзаходной навивкой полосы. При этом большая часть породы попадает непосредственно на шнек без перетирания.

Полые шнеки с резьбовым соединением применяют при проходке скважин для откачки воды, отбора проб съемным керноприемником, при бурении с продувкой, для зарядки сейсмических скважин, закачки бетона под сваи. Соединения могут быть конусные или с ленточной резьбой с широким шагом (см.рис. ).

Для отбора проб используется шнек с увеличенным диаметром трубы (магазинный шнек), в которую вкладывается разъемная керноприемная гильза, скрепляемая кольцами (см.рис. ). Для сохранения общего диаметра скважины коронка имеет тот же диаметр, что и долото. Ввиду меньшей ширины навитой полосы (15-25 мм) углубка ведется с меньшей скоростью.

Долота при шнековом бурении выполняют две функции:

1. разрушают породу;

2. подают разрушенную породу на спираль шнека.

В свою очередь, работа долота складывается из трех одновременно происходящих операций:

1. внедрение рабочей части долота в породу под действием осевой нагрузки;

2. срез породы под действием вращения долота;

3. подача срезанной породы на спираль шнека.

Наиболее рациональными являются шнеки с двухзаходной спиралью: в этом случае лопасти долота являются фактически продолжением спирали. Однако шнеки такой конструкции более сложны в изготовлении, увеличивается также их вес.

Недостатком обычных долот режущего типа, применяющихся для шнекового бурения, является трудность осуществления равномерной подачи, что приводит:

• к ввинчиванию долота в породу или

• к образованию пробок породы на лопастях шнеков.

Долото (ЗДРШ-165М, ЗДРШ-151М, ЗДРШ-151МС) представляют собой литой трехлопастной корпус с шестигранным хвостовиком. Лопасти имеют зубчатую форму и наклонены по винтовой линии, одно из них переходит в спираль шнека. Боковая поверхность лопастей армируется цилиндрическими зубками или восьмигранниками твердого сплава, а зубья -–пластинками ВК-8. Долота должны быть по наружному диаметру на 10-15 мм больше диаметра шнеков, что обеспечивает меньшие затраты мощности на вращение колонны шнеков в скважине и на ее подъем из скважины. Долота работают без охлаждения, с отводом тепла непосредственно в породу, что может приводить к их перегреву, особенно при проходке твердых пропластков. По конструкции долота могут быть трех и двух лопастными, со сменными резцами и лопастями, с различной геометрией режущей части (рис. ) [ ].

Для бурения на воду по ГОСТ 24328-80 предусмотрен параметрический ряд долот с индексом ДБШ-135, -150, -180, -200, -300, имеющих наружный диаметр соответственно 151, 165, 198, 215 и 320 мм.

Долота для мягких пород марки ДРШ-80, -100, -200 имеют наружный диаметр соответственно 90,110 и 215 мм.

Короткошнековые буры предназначены для оснащения бурильных машин при бурении скважин диаметром 0,36-1,0 м на глубину 3-5 м. Бурами (рис. , табл. [ ]) успешно выполняется проходка мерзлых пород с гравийно-галечниковыми включениями. К каждой режущей кромке подведена полоса двухзаходного шнека, что обеспечивает полное удаление грунта с забоя. Углубка ведется короткими рейсами длиной 0,5-0,6 м, что дает возможность быстро выполнять очистку шнека от выбуренной породы за счет ее разлета на устье скважины по окружности центробежными силами при включении повышенной скорости вращения шнека. Однако очистка шнековой колонны при бурении по вязким глинам остается весьма трудоемкой и длительной ручной операцией, снижающей эффективность шнекового бурения.

Шнекопневмоударный снаряд применяется для бурения в породах выше V категории по буримости при наличии твердых пропластков и включений. Снаряд (рис. ) включает серийный пневмоударник с долотом, шнековый переходник – стабилизатор, шнековую полую колонну с герметичными замками, вертлюг-сальник. Сжатый воздух от передвижного компрессора обеспечивает очистку забоя, привод пневмоударника и эффективный подъем породы по шнекам.

Техническая характеристика шнекопневмоударного снаряда [ ].

Буровая установка	СБР-160А-24
Диаметр долота, мм	130 160
Диаметр шнека, мм	126 155
Тип пневмоударника	П-125-3,8 П-130-4
Расход воздуха, м3/мин	До 10,0
Номинальное давление сжатого воздуха, Мпа	0,5
Масса пневмоударника	40

Шнековый снаряд со съемным грунтоносом (рис. ) позволяет выполнять отбор керна по всей скважине без подъема шнековой колонны. Через полую колонну шнеков грунтонос спускают на канате лебедки на забой до его фиксации. После проходки интервала 1-1,5 м спускается ловитель и грунтонос извлекается.

Техническая характеристика комплектов МШ СКБ «Геотехника»

	МШ-18А	МШ-21
Глубина бурения,м	50	26
Диаметр, мм
- бурения	198	250
- шнека	180	240
- трубы шнека	102	146
Длина шнека, м	1,5	1,5
Масса шнека, кг	30	42
Диаметр, мм
- грунтоноса	70	108
- керна	55	95
Длина керноприемника, м	1,5	1,5

Шнеко-колонковый снаряд^* обеспечивает отбор кернового материала в слабых бурых углях и в разрушенных породах (см.рис. ). В неподвижной при бурении колонковой трубе расположен шнековый наконечник с трубой, которые вращаются от бурильной колонны.

7.10.2. Особенности технологии шнекового бурения (по Д.Н.Башкатову и Ю.А.Олоновскому).

О зависимости механической скорости шнекового бурения от физико-механических свойств горных пород свидетельствуют следующие данные:

Горная порода	Средняя механическая скорость бурения, м/час
Песок:
- рыхлый песок …………………..………………………340
- рыхлый влажный ………………………………………208
- глинистый сухой …………………………………………95
Глина:
- песчаная …………………………………………………69
- песчаная плотная ………………………………………41
- плотная водная …………………………………………18

При поступлении разрушенной долотом породы на шнековый транспортер дальнейший ее подъем возможен при условии, что угол винтовой линии спирали меньше угла трения породы о поверхности шнека. Продвижение породы происходит в результате того, что она образует со спиралью шнека пару «винт-гайка», в которой порода – «гайка» не вращается и при вращении шнека - «винта» порода перемещается снизу вверх. Разность оборотов шнека и породы обусловлена разницей значений коэффициентов трения породы о стенки скважины f_с и о поверхность спирали шнека f_ш: