Роторное бурение: технология, способы и инструмент
Роторное бурение основано на вращении рабочего органа, который под действием осевого усилия разрушает грунт на забое и постепенно формирует скважину. Разработанный материал при этом должен быть удален из выработки, а способ его извлечения зависит от применяемой технологии и конструкции инструмента.
В строительном бурении используют Kelly-штанги, шнеки, ковшебуры, колонковые буры, резцы, забурники и обсадное оборудование. Конкретную схему выбирают с учетом глубины и диаметра скважины, геологического строения площадки и требований проекта.
Что такое роторное бурение
При роторном способе рабочий орган получает крутящий момент от привода буровой установки и вращается относительно забоя. Одновременно создается осевое усилие, необходимое для внедрения режущей части в грунт.
В результате порода разрушается и удаляется из скважины, а рабочий орган постепенно перемещается на большую глубину.
Роторное бурение не представляет собой одну неизменную технологическую схему. В строительстве применяются разные варианты, отличающиеся способом передачи усилия, конструкцией буровой колонны, рабочим инструментом и принципом удаления разработанного материала.
Как выполняется роторное бурение
Работа начинается с установки оборудования в проектной точке и позиционирования буровой оси.
Дальнейшая проходка включает несколько последовательных операций:
- рабочий инструмент опускается на забой;
- через буровую штангу или колонну передается вращение;
- одновременно создается осевое усилие;
- режущая часть разрушает грунт;
- разработанная порода удаляется из скважины;
- рабочий орган снова углубляется.
Цикл продолжается до достижения проектной отметки.
Конкретная последовательность отдельных операций зависит от технологии. При одних способах инструмент приходится периодически поднимать для разгрузки, при других грунт перемещается к поверхности непосредственно во время проходки.
Основные способы роторного бурения
В строительстве применяют несколько технологических схем, основанных на вращательном разрушении грунта. Они отличаются устройством буровой колонны, способом работы с разработанной породой и возможностью одновременного крепления стенок скважины.
Бурение с Kelly-штангой
Kelly-штанга представляет собой телескопический элемент, через который крутящий момент и осевое усилие передаются сменному рабочему органу.
Бурение выполняется циклически. Инструмент опускают на забой, разрабатывают определенный объем грунта, после чего поднимают на поверхность и разгружают. Затем цикл повторяется.
В зависимости от условий проходки с одной Kelly-штангой могут использоваться шнеки, ковшебуры, колонковые буры и другие сменные рабочие органы.
Такой принцип позволяет вести разработку скважины последовательно, извлекая грунт отдельными порциями.
Непрерывное шнековое бурение и CFA
При непрерывном шнековом бурении используется длинная шнековая колонна, которая погружается без полного извлечения после разработки каждой очередной порции грунта.
Режущая часть разрушает забой, а разработанный материал перемещается к поверхности вдоль винтовых витков.
Один из распространенных вариантов этой технологии - CFA, или Continuous Flight Auger. В данном случае применяется полый непрерывный шнек. Внутренний канал позволяет после достижения проектной глубины подавать бетонную смесь по мере подъема колонны.
CFA поэтому используется не только для формирования скважины, но и непосредственно в технологическом цикле устройства буронабивных свай.
Двухроторное бурение
При двухроторной технологии одновременно работают внутренняя буровая колонна и наружная обсадная труба.
Для них используются отдельные приводы. Внутренний инструмент разрабатывает грунт и поднимает его к поверхности, а обсадная колонна продвигается вслед за забоем.
Один из вариантов такой схемы - CCFA, при котором внутри обсадки работает непрерывный шнек.
При работе в неустойчивых, осыпающихся или водонасыщенных грунтах стенки скважины могут требовать дополнительного крепления. Для этого применяют обсадные трубы либо, в зависимости от технологии, стабилизирующий буровой раствор. Обсадка используется не только при двухроторной схеме и может применяться, например, при Kelly-бурении, поэтому ее правильнее рассматривать как средство обеспечения устойчивости скважины, а не как самостоятельный способ роторного бурения.
Какой инструмент используют при роторном бурении
Рабочий инструмент подбирают по типу грунта, диаметру скважины и принятому способу проходки. Разные конструкции отличаются не только способом разрушения породы, но и принципом ее захвата и удаления.
Шнеки
Шнек состоит из центрального ствола с винтовыми витками и рабочей головки.
В нижней части располагаются забурник и режущие элементы. При вращении они разрушают грунт, после чего разработанный материал попадает на витки.
Винтовая поверхность позволяет удерживать и перемещать породу, поэтому шнек одновременно выполняет две задачи: разрабатывает забой и участвует в удалении грунта.
Конструкция рабочей головки зависит от условий проходки. Для более плотных и скальных пород используются усиленные исполнения и соответствующие режущие элементы.
Ковшебуры
Ковшебур работает по другому принципу.
Разработанный грунт поступает внутрь корпуса и накапливается в нем. После заполнения рабочий орган поднимают из скважины и разгружают на поверхности.
Такой способ позволяет удерживать грунт внутри инструмента во время подъема.
Конструкции ковшебуров различаются по режущей части, способу заполнения и устройству днища. Конкретное исполнение выбирают с учетом свойств разрабатываемого материала.
Колонковые буры
Колонковые буры применяют там, где требуется иной характер разрушения плотной или скальной породы.
Рабочая часть воздействует преимущественно по кольцевому контуру. В результате внутри формируется керн, который затем разрушается или извлекается в зависимости от технологии.
Такой инструмент особенно полезен при прохождении прочных прослоек, где обычная режущая схема шнека работает менее эффективно.
Забурники и резцы
Забурник располагается в центральной части рабочего органа и первым взаимодействует с забоем. Он начинает разработку центральной зоны и помогает сохранять устойчивое положение инструмента.
Основной объем грунта разрушается резцами, расположенными на рабочей головке.
Их форма, расположение и материал должны соответствовать условиям проходки. При работе в твердых и абразивных породах режущие элементы испытывают повышенный износ, поэтому их состояние напрямую влияет на способность инструмента внедряться в грунт.
Как выбирают буровой инструмент под грунт
Один и тот же рабочий орган не будет одинаково эффективен в любых геологических условиях.
При выборе учитывают:
- прочность и плотность грунта;
- его связность;
- абразивность;
- влажность;
- наличие валунов и твердых включений;
- чередование различных слоев;
- требуемый диаметр скважины.
В мягких связных грунтах важны эффективное резание и способность инструмента удерживать разработанный материал.
В песчаных и сыпучих породах возрастает значение способа захвата грунта и устойчивости стенок скважины.
При увеличении плотности и прочности растет сопротивление внедрению режущей части. В таких условиях применяют усиленные рабочие органы и соответствующие резцы.
Если встречаются твердые включения или скальные прослойки, может потребоваться скальный шнек, колонковый бур или другой специализированный инструмент.
Геологический разрез одной скважины нередко неоднороден, поэтому оснастку подбирают с учетом не только верхнего слоя, но и пород, расположенных на всей проектной глубине.
Чем роторное бурение отличается от шнекового
Роторное и шнековое бурение нельзя считать полностью противоположными методами.
Роторное бурение характеризует общий принцип, при котором рабочий орган разрабатывает грунт за счет вращения и осевого воздействия.
Шнек при этом является конкретным типом бурового инструмента. Его винтовая поверхность дополнительно обеспечивает захват и перемещение разработанного материала.
Поэтому шнек может использоваться непосредственно в роторной технологии. Отличие заключается не в наличии или отсутствии вращения, а в конструкции рабочего органа и принятой схеме проходки.
Где применяют роторное бурение
В строительстве роторное бурение используется для формирования вертикальных скважин различного назначения.
Одно из основных направлений - устройство скважин под буронабивные сваи. Также метод применяется при сооружении свайных ограждений, глубоких фундаментов и выполнении других работ специального фундаментостроения.
Конкретная технология - Kelly, CFA, двухроторная или другая - выбирается с учетом геологии площадки, параметров скважины и требований проекта.
От чего зависит эффективность роторного бурения
Производительность проходки определяется сочетанием характеристик буровой установки, рабочего инструмента и фактических условий в скважине.
Наибольшее значение имеют:
- свойства грунта;
- диаметр и глубина;
- крутящий момент;
- осевое усилие;
- эффективность разрушения забоя;
- скорость удаления разработанного материала;
- состояние режущих элементов;
- устойчивость стенок скважины.
Недостаточного крутящего момента или осевого усилия может не хватить для стабильной проходки плотного слоя. Одновременно даже мощная установка не компенсирует неправильно подобранную или сильно изношенную рабочую часть.
В неустойчивых грунтах дополнительным ограничением становится состояние стенок скважины. Если они осыпаются, необходимо обеспечить их крепление или стабилизацию в соответствии с принятой технологией.
Поэтому роторное бурение следует рассматривать как работу единой системы: буровая установка создает необходимые усилия, технология определяет последовательность операций, а рабочий инструмент непосредственно разрушает и удаляет грунт. Именно соответствие этих элементов конкретным геологическим условиям позволяет получить скважину требуемого диаметра и глубины.
Рекомендуемые товары
Получите консультацию
