БУРОВОЙ ШНЕК

Полезная модель относится к буровой технике и касается конструкции буровых шнеков в составе буровых колонн. Преимущественная область применения - сейсморазведка с помощью мобильных буровых установок.
Известно большое количество типоразмеров буровых шнеков для бурения скважин, имеющих стержень в виде трубы с присоединенной к нему спиралью, выполненной обычно из стальной полосы или набранной из сваренных между собой отдельных витков (сегментов) (Е.И.Танов, В.Я.Площадный. Шнековый буровой инструмент// М. Недра, 1985, стр.8, 9 табл.2). В таблице приведены основные параметры шнеков диаметром от 65 до 475 мм с размерами спирали от 20*2 до 153*6 мм.
Достоинством данных шнеков является при относительной простоте изготовления и применения хороший вынос выбуренной породы (шлама) на поверхность земли. Эти шнеки приняты за прототип.
Однако при большой глубине скважины увеличивается сопротивление бурению из-за увеличивающегося веса шлама на шнеке и увеличения трения шлама о стенки скважины. Может возникнуть момент, когда шнековая колонна полностью будет забита шламом и произойдет ее заклинивание. Такая же возможность возникает в случае обрушении стенок скважины в неустойчивых грунтах, - так называемый «прихват».
С целью укрепления стенок скважины была создана шнековая буровая штанга (авторское свидетельство СССР №156507, Е21С, 16.11.62), имеющая на внешней части шнековых лопастей спиральную цилиндрическую полосу. Недостатком данной конструкции является непродуктивное трение шлама о внутреннюю поверхность спиральной цилиндрической полосы при заполнении межвиткового пространства, приводящее к тому, что в этой части пространства не обеспечивается транспортировка. Существенным недостатком этого шнека является трудность очистки его от шлама.
Для увеличения глубины бурения и облегчения удаления шлама из скважины используют бурение с промывкой водой или специальными буровыми растворами. В этом случае вода подается в забой через внутреннюю полость трубы шнека. При этом она в процессе бурения разжижает шлам, значительно снижая удельные энергозатраты и повышая производительность бурения.
Использование упомянутого выше шнека по авторскому свидетельству №156507 при бурении с разжижением шлама затруднено из-за трудности очистки такого шнека от шлама. Причиной этого является карман, образуемый наружной цилиндрической полосой.
Шнек также получается неприемлемо тяжелым, что резко затрудняет наращивание и демонтаж колонны.
Использование же в буровых шнеках, работающих с промывкой, традиционной спирали из стальной полосы или сваренных между собой отдельных сегментов не позволяет укрепить стенки скважины из-за острых кромок и малой толщины витков спирали. Вращающийся шнек, работающий с промывкой, не имеет достаточной опоры на стенки скважины в виде прослойки выбуренного шлама, поэтому его спираль при вращении повреждает стенки скважины, способствуя их обрушению. Кроме того, не имеющий достаточной опоры на стенки вращающийся шнек имеет недостаточную продольную устойчивость и стремится прогнуться в скважине, приобретающей при обрушении стенок все больший диаметр. То есть, происходит разбивание скважины. Все это приводит к повышенной нагрузке и излому в замковых соединениях шнеков.
Задачей, решаемой данной полезной моделью, является укрепление стенок буровой скважины при шнековом бурении с промывкой.
Поставленная задача решается тем, что, в отличие от прототипа, в буровом шнеке, содержащем полый стержень с закрепленной на его наружной поверхности спиралью, внешняя поверхность спирали имеет полукруглый профиль, а ее внешний диаметр на 5...10% меньше диаметра образуемой скважины.
Технический эффект полезной модели обеспечивается тем, что полукруглый профиль внешней поверхности спирали имеет большую опорную поверхность на стенки скважины, чем в шнеках со спиралью из стальной полосы или сваренных между собой сегментов, и, при отсутствии острых кромок, производит их цементирование за счет глинистых частиц шлама и за счет клиновидного зазора между стенкой и ребордой. Относительно небольшой зазор между стенками скважины и внешним диаметром спирали способствует обработке стенок по всей протяженности скважины и, кроме этого, не дает прогибаться шнеку в скважине.
С целью упрощения изготовления бурового шнека спираль может быть выполнена из круглого стального проката в один или несколько слоев, расположенных один над другим, навитого с необходимым шагом и приваренного к полому стержню. При этом внешняя сторона спирали имеет полукруглую форму.
Для повышения долговечности бурового шнека на внешнюю поверхность спирали может быть нанесена упрочняющая наплавка с сохранением внешней полукруглой формы спирали.
Конструкция предлагаемого бурового шнека иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан шнек, имеющий спираль с полукруглым профилем внешней поверхности;
на фиг.2 - шнек со спиралью из круглого проката, навитого в один слой; на фиг.3 - шнек со спиралью из круглого проката, навитого в два слоя, на фиг.4 - шнек со спиралью, имеющей упрочняющую наплавку.
Предлагаемый буровой шнек состоит из полого стержня (трубы) 1 (фиг.1...4) и спирали 2, навитой с необходимым шагом на полый стержень 1 и приваренной к нему. Направление навивки спирали соответствует направлению вращения шнека, обеспечивающему при бурении вынос шлама на поверхность земли. Внешняя поверхность спирали 2 имеет полукруглый профиль (фиг.1) и внешний диаметр D на 5...10% меньший, чем диаметр будущей скважины, образуемый породоразрушающим инструментом. С целью повышения технологичности изготовления шнека, спираль 2 может быть выполнена из круглого проката 3 (фиг.2), или из круглого проката 3, навитого в два слоя (фиг.3). Для упрочнения поверхности спирали 2 и уменьшения ее износа, на внешней поверхности спирали может быть упрочняющая наплавка 4 (фиг.4), имеющая полукруглую форму.
Предлагаемый буровой шнек работает следующим образом.
Бурение производят с помощью буровой установки шнековой колонной с промывкой. Скважину образует породоразрушающий инструмент (например долото) (не показано), закрепленный на первом, лидерном, шнеке. Он определяет диаметр скважины. Вода или буровой раствор подается во внутреннюю полость трубы 1 шнека, смазывает и охлаждает инструмент и, вместе с выбуренным шламом, выходит на поверхность земли. Избыточное давление облегчает транспортирование шлама на поверхность земли, вынося его вместе с потоком воды.
При вращении буровой колонны внешняя полукруглая поверхность спирали 2, выполненная в виде полосы с полукруглым профилем (фиг.1) или в виде круглого прутка 3 в один слой (фиг.2) или два слоя (фиг.3), заглаживает и уплотняет стенки образуемой скважины по всей длине за счет глинистой составляющей шлама. При этом происходит укрепление стенок скважины, препятствующее их обрушению, на время, достаточное для погружения заряда.
Применение промывки позволяет использовать для спирали шнека более низкий профиль, чем обычно используемая стальная полоса, не опасаясь заклинивания шнека. Поэтому с целью упрощения конструкции и изготовления шнека в качестве спирали применен круглый прокат 3 (фиг.2 и фиг.3), приваренный к стержню шнека 1. Внешний диаметр шнека D меньше диметра скважины, образуемого породоразрушающим инструментом, на 5...10% в зависимости от их реальных размеров, т.е. при больших размерах выбирается больший зазор.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет укрепить стенки скважины при бурении шнековой колонной с промывкой. При этом исключается возможность заклинивания шнека в скважине.
Изготовление бурового шнека может быть осуществлено на универсальном или специальном оборудовании. Следовательно, предлагаемое техническое решение обеспечивает технический эффект и обладает промышленной применимостью.