Фильтры для воды

Сущность и условия применения шнекового бурения скважин

Шнековое бурение применяется при сейсморазведке, инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях, геологической съемке, поисках и разведке разных полезных ископаемых на глубину до 50—80 м диаметром от 60 до 400 мм и мягких и рыхлых породах I—IV категории по буримости. При /гом способе бурения породы разрушаются долотом, а ее транспортирование осуществляется шнеками. Шнек, ввинчиваясь в разрушенную долотом породу, как винт в гайку, поднимает ее к устью скважины. Подъем породы происходит за счет разности скоростей вращения шнеков и породы.

При движении породы от забоя к устью происходит частичное втирание ее в стенки скважины, оштукатуривание и закрепление их. Долото охлаждается в результате быстрого внедрения во все новые слои пород с относительно низкой температурой. Высокая скорость углубки скважины обусловлена быстрым разрушением нетвердых пород и подъемом шнеками их крупных кусков без дополнительного дробления.

Поскольку для шнекового бурения не требуется промывочной жидкости, применение его особенно эффективно в безводных районах и условиях Севера, где преобладают низкие температуры.

Производительность шнекового бурения в несколько раз выше, а стоимость ниже, чем при бурении другими способами. Преимущества шнекового бурения — высокая механическая скорость (до 40—80 м/ч), незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции; возможность отбора керна при использовании колонковых шнеков; большой диаметр скважины; отсутствие промывочной жидкости. Недостатки шнекового бурения — большой расход мощности, небольшие глубины бурения и только в мягких породах, трудность проведения качественной геологической документации.

Буровой инструмент

Буровой снаряд шнекового бурения состоит из колонны шнеков, иногда нескольких утяжеленных шнеков и долота. При отборе ненарушенных образцов в состав бурового снаряда включается колонковый шнек и специальное колонковое долото.

Шнеки и лопастные долота для бурения скважин на воду выпускаются по ГОСТ 24328—80.

Существует несколько разновидностей долот для шнекового бурения.

Долото трехлопастное типа ДБШ (рис. 5.1, а) с литым стальным корпусом имеет зубчатые лопасти с наклоном по винтовой линии. Одна из них может переходить в спираль шнека. Боковая поверхность лопастей армируется восьмигранниками, а зубья — пластинами сплава ВК-8. Долота выпускаются марок ДБШ-135, ДБШ-150, ДБШ-180, ДБШ-200, ДБШ-300

ris 5.1

Рис. 5.1. Долота для шнекового бурения и ДБШ-300У диаметром соответственно 151, 165, 198, 215, 420 мм.

СКВ ВПО «Союзгеотехника» разработаны долота типа ДРШ (рис. 5.1,6). Долото состоит из литого корпуса с двумя лопастями, установленными под углом 15° относительно оси корпуса. Одна лопасть калибрующая и смещена относительно другой по высоте на 3—5 мм. Режущие части долота армируются резцами сплава ВК6, ВК8В. Долота предназначены для бурения в породах II — V категорий по буримости с прослоями пород средней твердости и твердых.

Долота типа ДРШ по ГОСТ 24328—80 имеют съемные лопасти, предназначены для бурения мягких пород и выпускаются марок ДРШ-80, ДРШ-100, ДРШ-200 диаметром соответственно 90, 110, 215 мм. Предусмотрен выпуск долот ДБШ и ДРШ с соединениями при помощи многогранника и с резьбовыми соединениями.

Шнек (рис. 5.2, а) представляет собой трубу, к наружной поверхности которой по винтовой линии приварена спиральная стальная лента толщиной 5—6 мм. Ее шаг принимается для мягких вязких пород 0,5—0,7, а для сыпучих и твердых пород 0,86—1 диаметра шнека. Шнеки изготовляют двух типов: без проходного отверстия и с проходным отверстием. Долото со шнеком и шнеки между собой соединяются безрезьбовыми и резьбовыми соединениями. При безрезьбовом соединении (шнеки типа ШБ) на шестигранный хвостовик долота или шнека надевают муфту следующего шнека и в отверстие забивают палец, который от выпадания удерживается фиксатором. При резьбовом соединении (шнеки типа ШС) используют специальную резьбу с шагом 6, 8, 16 мм. Предусмотрен выпуск шнеков ШБ с диаметром 135, 150, 180, 200, 300 и шнеков ШС диаметром 80 и 100 мм. Длина шнеков 1—2,5 м.

ris 5.2

Рис. 5.2. Шнеки:

а —с безрезьбовым соединением: / — хвостовик; 2 — спираль (реборда); 3 — труба; 4 — муфта замка; 5 — палец; 6 — фиксатор; б — колонковый шнек

Для отбора ненарушенных образцов пород (керна) применяют колонковый шнек (рис. 5.2,6). Он состоит из полого шнека 2 с большим проходным отверстием в трубе, разъемной керноприемной гильзы 3 и коронки 1. Гильзу из полого шнека можно извлекать только после отвинчивания коронки. Колонковый шнек обеспечивает получение керна лишь в супесях и суглинках и требует частого подъема бурового инструмента из скважины.

При необходимости непрерывного отбора ненарушенных образцов пород применяют шнековый инструмент со съемной грунтоноской.

Технология бурения

Основные параметры технологического режима шнекового бурения — осевая нагрузка и частота вращения. Как показывают расчеты и опыт бурения, частота вращения шнековой колонны должна быть 100—200 об/мин. При малых частотах ее вращения ухудшается транспортировка породы, а при больших возникают вибрации бурового инструмента.

Бурение в большинстве случаев осуществляется без дополнительной нагрузки на долото.

В мягкие породы долото внедряется под действием веса шнеков, вращателя и реактивного усилия, возникающего при транспортировке разрушенной породы. Это усилие может достигать 0,8—1,2 кН на 1 м длины шнековой колонны. Поэтому очень часто бурят с разгрузкой долота при помощи лебедки или механизма подачи. Дополнительная осевая нагрузка создается только при забуривании скважины, при бурении в мерзлых породах, сухих плотных глинах, твердых породах и может достигать 15—30 кН.

Бурение песчано-глинистых отложений типа супесей, суглинков, влажных песков, песчаных глин ведется эффективно двух и трехлопастными долотами при частоте вращения 200—100 об/мин без принудительной подачи или с дополнительной осевой нагрузкой 4—5 кН.

Бурение вязких плотных глин представляет трудности в результате образования сальников на долоте и шнеках, прекращения транспортировки породы, увеличения трения шнеков о стенки скважины. Поэтому при бурении вязких глин необходимо снижать скорость подачи до 12—15 см/мин, максимально увеличивать частоту вращения, расхаживать буровой снаряд, подливать в скважину воду 10—20 л на 1 м или при полых шнеках, закачивать насосом 2—5 л/мин; периодически включать вибратор. Если перечисленные меры не дают положительных результатов, то колонну шнеков через каждые 1,5—2 м уг-лубки поднимают и очищают от глины.

Неустойчивые породы, водоносные пески и плывуны бурят при высоких частотах вращения инструмента и максимальной подаче с одновременным креплением трубами.

Твердые породы (аргиллиты, песчаники V категории по буримости) бурят долотами, армированными резцами твердого сплава ВК-8 с последующей наплавкой рэлитом, при осевой нагрузке 20 кН и частоте вращения 100—130 об/мин. Для лучшей очистки скважины после окончания бурения рекомендуется н течение нескольких минут вращать буровой инструмент с частотой 300 об/мин.

Для бурения галечниковых .отложений рекомендуется применять долота, имеющие режущие грани с профилем по кривой равного износа.

Мелкие гравийно-галечниковые отложения бурятся на высоких частотах вращения бурового снаряда (до 300 об/мин). При этом могут возникать вибрации. Для их предупреждения над долотом устанавливается два-три утяжеленных шнека. Более крупные валунно-галечниковые отложения бурят при небольших частотах вращения (30—40 об/мин) без дополнительной нагрузки на буровой инструмент. Крупные гальки и валуны отбиваются в сторону или разрушаются при расхаживании и вращении снаряда.

Опробование скважин при шнековом бурении осуществляется обычно отбором образцов породы с лопастей шнека по мере выноса ее на поверхность. Но при этом происходит интенсивное перемешивание породы и трудно определить глубину, с которой поднят образец.

Для точного определения глубины залегания пород прекращается углубка скважины до полного выноса разрушенной породы, а затем образец отбирается после возобновления бурения. Еще более точно пробы можно отбирать при низких частотах вращения инструмента, при которых скорость подъема породы по шнекам примерно соответствует скорости подачи и ее вынос на поверхность не происходит. В этом случае пробы отбираются при подъеме шнековой колонны. Для отбора монолитов применяются колонковые шнеки, грунтоносы или шнековые колонны со съемным грунтоносом.

Производительность шнекового бурения в зависимости от геологических условий, глубины скважины, применяемого бурового инструмента и оборудования изменяется в пределах от 300—500 до 1500—5000 м/ст-мес.