Вибробурение

1.Реферат

Вибробурение

Задачей буровых работ при инженерно-геологических исследованиях является, как правило, изучение геолого-литологического строения вскрытого разреза и свойств пород.

В настоящее время известны следующие способы разрушения горных пород: механический (разрушение инструментами, машинами гидравлическим аппаратами); физический (огневой и взрывной); химический (растворение, выщелачивание, газификация). Различают два основных вида механического способа бурения: ударное и вращательное бурение.

При ударном бурении порода разрушается под действием ударов буровыми наконечниками, называемыми долотами. При вращательном бурении порода срезается или раздавливается и истирается в забое специальными режущими и дробящими долотам» или резцами коронок, буровой дробью или алмазами.

Различают два вида ударного бурения: канатное и штанговое. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие канатом (тросом), во втором случае металлическими стержнями-штангами. Штанговое ударное бурение может производиться с промывкой забоя скважины и без промывки. Разрушение породы при ударном бурении осуществляется на полное сечение скважины — сплошным забоем.

Вращательное бурение в свою очередь разделяется на собственно вращательное (роторное), обычно применяемое в тех случаях, когда скважину можно проходить сплошным забоем, и колонковое, при котором разрушение породы на забое ведется по кольцу при помощи пустотелого цилиндра-коронки. Внутри коронки остается неразрушенный столбик — керн или колонка породы, отсюда этот вид бурения и получил название колонкового. Для разрушения горных пород при вращательном бурении применяют алмазы, твердые сплавы и буровую стальную или чугунную дробь.

Вращение бурового наконечника может быть осуществлено при помощи двигателя, находящегося на поверхности, через бурильные трубы—штанги, или при помощи двигателя, находящегося на забое непосредственно за буровым наконечником, К забою двигатель опускается на трубах, а в последнее время иногда на канате.

К забойным двигателям относятся турбобур, электробур, гидровибратор и др.

В настоящее время для колонкового бурения разрабатываются малогабаритные забойные двигатели и забойные механизмы, (типа гидроперфораторов), обеспечивающие одновременное воздействие на породу буровым наконечником ударным и вращательным способами (комбинированное бурение).

По виду применяемой энергии различают бурение ручное и механическое.

Как правило, вращательное, в том числе и колонковое бурение, ведется с промывкой (или с продувкой) забоя так, чтобы продукты разрушения породы выносились на поверхность восходящим потоком жидкости (или газа). При канатном и штанговом ударном бурении без промывки очистка забоя от породы, разрушенной долотом, производится специальными инструментами — желонками.

С целью повышения эффективности разрушения породы ведутся работы по созданию механизмов которые обеспечивали бы комбинированное воздействие на породу— удар и вращение. К таким механизмам, в частности, относятся гидроперфораторы, гидровибраторы.

При бурении г. твердых и очень твердых породах ударно-врашательный способ наиболее перспективен из всех механических способов.

Дли проходки неглубоких скважин (до 25 м) в нетвердых породах применяется вибробурение, при котором погружение бурового инструмента происходит за счет создаваемых механическим вибратором вибрации и веса самого инструмента.

К физическим способам проходки скважин в первую очередь. относится термический, или как его называют огневой способ, применяемый главным образом для разрушении пород, имеющих кремнистое основание. Действие этого способа основано на том, что при воздействии на породу пламенем с высокой температурой (до 2400°) и скоростью до 1800 м/сек зерна кварца преобразуются, значительно увеличиваясь в объеме, за счет чего происходит скалывание частиц породы; частицы выносятся из скважины па поверхность водяным паром. Хотя производительность этого способа и превышает производительность механических видом бурения, однако из-за относительной сложности осуществления этот способ пока не вышел из стадии лабораторных исследовании.

В будущем возможно использование в первую очередь для неглубоких скважин электрогидравлического эффекта, предложенного Л. А. Юткиным. Сущность этого способа заключается в том, что в зоне прохождения электрической искры меж ну полюсами в воде образуются большие давления, в результате чего происходят взрывы, и порода вблизи искры разрушается.

При бурении нефтяных скважин весьма успешно внедряется о полошив способ разрушения породы на забое при помощи привитых веществ, подаваемых в специальных капсулах промывочной жидкостью на забой.

В ряде стран в последние годы ведутся исследования по разрушению горных пород в скважинах при помощи ультразвуковых колебаний, передаваемых долоту через бурильные трубы, или путем передачи ультразвуковых колебаний абразивному порошку, подсыпаемому под металлический инструмент. Абразивным порошком чаще служит карбид бора, смоченный жидкостью.

При бурении инженерно-геологических скважин применяются следующие основные способы: колонковый, шнековый, вибрационный и ударно-канатный кольцевым забоем. Во всех этих способах процесс бурения, как правило, механизирован.

Применение того или иного способа бурения определяется следующими основными условиями:

Колонковое бурение используют преимущественно в скальных и полускальных породах, также в плотных связных грунтах при условии использования глинистой промывки; глубина бурения до 100 метров;

Шнековый способ, также весьма производительный, следует применять в случаях вскрытия водоносных слоев, забоя на ту или иную глубину без подробного изучения проходимых пород, глубина бурения до 50 метров.

Вибрационный способ, являясь наиболее производительным, применяется для проходки связных и рыхлых пород, не содержащих значительной примеси крупнообломочного материала; глубина бурения до 15 –20 метров.

Ударно-канатное бурение кольцевым забоем рекомендуется применять для разведки различных рыхлых, связных и полускальных пород; глубина бурения до 50 метров;

Ударно-канатное, вибрационное и шнековое бурение при необходимости изучения механических и прочностных свойств пород в естественном состоянии следует сопровождать отбором монолитов (образцов с ненарушенной структурой) пород исключительно при помощи грунтоносов различного типа.

Так в глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции следует применять обуривающие грунтоносы, со скоростью их вращения, при отборе монолита, не более 60 об/мин и давлением на забой 150-300 кгс; в грунтах тугопластичной, мягкопластичной и текучепластичной консистенции – вдавливаемые грунтоносы.

Величина заглубления грунтоноса не должна быть меньше полутора его диаметра и не больше 0, 4 метров.

Начальные диаметры бурения определяются количеством перемен диаметра по глубине скважины, связанных, как правило, с неустойчивостью стенок скважины и необходимостью их закрепления обсадными трубами, а также заданной величиной конечного диаметра. Так, например, при необходимости отбора монолитов для испытания в компрессионном приборе, диаметр обоймы (кольца) которого составляет 90 мм, диаметр скважины должен быть не менее 115 мм, если отбора не требуется, то 75 мм.

1) При колонковом бурении разрушение породы на забое производится прорезанием кольцевого канала при помощи вращения колонковой трубы с размещенной на ее конце буровой коронкой. При этом в центральной части забоя (внутри колонковой трубы) образуется керн в виде столбика (монолит) ненарушенной структуры. После образования керна достаточной длины его отрывают от массива при помощи кернорвателя, устанавливаемого на колонковой трубе сразу над коронкой и поднимают на поверхность.

Следует отметить, что на инженерных изысканиях колонковое бурение в большинстве случаев производится «всухую», углубка скважин, в этом случае, нередко осуществляется грунтоносами обуривающего типа.

Нередко колонковое бурение пород ведется с призабойной циркуляцией промывочной жидкости, реже с промывкой ствола скважины глинистым раствором, обеспечивающим вынос шлама и создающим надлежащий вес столба жидкости в скважине для поддержания в ней равновесия при помощи гидростатического давления, что позволяет поддерживать устойчивость стенок скважины.

Для получения качественных образцов проходимых пород, необходимо, чтобы глинистый раствор, помимо вышеуказанных, удовлетворял следующим требованиям:

- образовывал тонкую (0, 5-1, 0 мм) плотную корку на стенках скважины для предотвращения поглощения промывочной жидкости;

- обеспечивал минимальное содержание свободной воды в суспензии с целью предотвращения набухания глин в стенках скважины.

Таким требованиям отвечает раствор, приготовленный из бентонитовой глины, обладающей высокой дисперсностью, тиксотропностью. Контроль за качеством глинистого раствора и за его свойствами во время бурения устанавливают лабораторными методами, определяя его следующие параметры: 1) вязкость; 2) водоотдачу; 3) содержание фракций крупнее 0,005 мм; 4) суточный отстой; 5) толщу глинистой корки 6) сопротивление сдвигу; 7) стабильность суспензии; 8) плотность; 9) рН; 10) содержание газов; 11) температуру.

Вместо промывки применяется также продувка забоя сжатым воздухом. Продувка имеет ряд немаловажных преимуществ перед промывкой, с точки зрения разведочного бурения, а именно:

- исключается дополнительное увлажнение, а также размыв керна и забоя;

- исключается возможность загрязнения и увлажнения шлама, а также смешивание разностей шлама, вынесенных с разных горизонтов.

Ну и конечно исключается такой важный пункт, как доставка воды к скважинам.

Существенная причина, препятствующая широкому использованию данного метода, заключается в геолого-гидрогеологическом ограничении возможности бурения: продувание забоя наиболее целесообразно и эффективно проводить в скважинах, не содержащих воду в жидком состоянии.

2) При шнековом способе бурения мягких и рыхлых пород разрушение породы на забое производят вращающимся долотом различных конструкций, разрушенная порода транспортируется с забоя на дневную поверхность шнеками, представляющими собой единый винтовой транспортер.

Геологическая документация при шнековом бурении затрудняется частичным перемешиванием разрушенной породы в процессе ее транспорта шнеками. Пробы можно отбирать при непрерывной или при периодической углубке скважины.

При шнековом бурении кольцевым забоем применяют магазинные шнеки и специальные коронки. Но шнековое бурение имеет свойство искривлять ствол скважины, что также сказывается на структуре и свойствах отобранных монолитов.

В настоящее время в городах, в условиях плотной городской застройки, развитой сети коммуникаций и активизации техногенных процессов, все больше возникает необходимость в использовании «малогабаритного», но и мало применяемого, ударно-вращательного ручного способа бурения в рыхлых породах.

Большим недостатком ручного бурения всегда являлась его низкая производительность и высокая трудоемкость. Поэтому, не занижая достоинств ударно-вращательного способа бурения, особенно в период все возрастающей его потребности, следует сейчас вернуться к его активному внедрению с обязательным условием механизации процесса. Подробнее о бурении скважин шнеками можно прочитать здесь

3) Вибрационное бурение основано на принципе передачи буровому инструменту направленных колебаний, создаваемых вибропогружателем. Частота колебаний существующих вибропогружателей составляет от 1200 до 2000 в минуту, а амплитуда колебаний от 1, 5 до 10 мм. Вибропогружатели применяются в двух вариантах: с жестким креплением к бурильным трубам и со свободной опорой на специальную плиту – наковальню, в последнем случае вибропогружатель называют вибромолотом. Инструмент для вибрационного бурения состоит из зондов и бурильных труб. Зонды, практически, те же, что и стаканы при ударно-канатном бурении. Для бурения связных глинистых грунтов применяют зонды с одной прорезью, для бурения слабосвязных грунтов – зонды с клапаном. Подробнее о вибрационном бурении можно прочитать здесь

4) При бурении ударно-канатным способом, когда разрушение породы на забое производится повторными ударами наконечника, подвешенного на тросе (канате), в качестве наконечника применяют: в связных породах – буровой стакан, в несвязных – желонку, в полускальных – долото.

Инструмент для ударно-канатного бурения «клюющим» способом состоит из забивного стакана и утяжеленной ударной штанги или ударного патрона при забивном способе. Стаканы, как правило, по всей длине имеют прорезь для очистки от породы или являются разъемными.

В качестве рабочих наконечников при вибробурении используют разъемные и неразъемные виброзонды, виброжелонки и грунтоносы.

Ему удалось успешно  закончить стендовые испытания вибробурения, доказавшие возможность увеличить проходку на долото и механическую скорость бурения. Первые же испытания выявили и слабые стороны вибробурения. Основные из них - частая поломка бурильных труб и быстрый износ забойной машины при работе на глинистом растворе. В течение ряда лет Э. И. Тагиев со своими сотрудниками безуспешно пытался устранить эти недостатки вибробурения. 

Основными технологическими  параметрами, определяющими эффективность вибробурения, являются момент эксцентриков, частота колебаний и вес вибратора, скорость удара, вес ударной части и частота ударов вибромолота. Но большинство из этих параметров не регулируются в процессе бурения, так как в комплект буровой установки входит вибратор или вибромолот с постоянными параметрами. 

С применением специальной оснастки агрегат может быть использован для вибробурения и рыхления мерзлых и талых грунтов при производстве земляных работ экскаваторами. Сваепогружатель УВВС-60 / 10 монтируется на тракторе Т-100 М с удлиненной на 1 000 мм ходовой частью. 

Сравнительно новыми  методами бестраншейной прокладки  газопроводов являются вибровакуумное  продавливание и вибробурение грунта, при которых проходческому инструменту сообщается вибрация, способствующая лучшей разработке грунта.

Ир - 1 6 л, что показывает возможность применения вибробурения при данных условиях. 

Очевидно, что добавка  ПАВ даст большой эффект в  сочетании с вибробурением, создающим условия для более интенсивного проникновения в породу. 

Особое внимание уделяется  следующим направлениям развития  способов бурения и технологических  процессов в геоло - горазведочных  работах: вибробурению, сооружению скважин уменьшенных и малых диаметров, индустриальным методам строительства вышек и монтажа оборудования, опробованию скважин испытателями пластов и др. Показателями внедрения передовой технологии являются число объектов ( например, скважин), на которых работы проводятся по новой технологии, и отношение объема работ, выполняемых по новой технологии, ко всему объему работ. Такие же показатели используются и для характеристики внедрения новых способов бурения. 

В рыхлых, несвязных и  размываемых породах ( пески, супеси, дресва, валунно-галечные и песчано-глинистые  отложения) при бурении скважин  глубиной до 50 м рекомендуется  применять колонковые снаряды  длявибробурения, шнеко-ко-лонкового  бурения и снаряды ударного  действия. 

Наименьшая энергия расходуется  при ударном бурении, где для  забивки обсадной колонны, ее  извлечения и отбора керна  можно использовать одну лебедку, мощность привода которой не  зависит от схемы бурения, так  как во всех схемах используется  одинаковый технологический инструмент. При вибробурении дополнительно расходуется энергия на вибропривод, а при вращательном - на привод насоса для промывки скважины и работы забойного вращателя. 

Эффективность вибрационного  бурения в значительной степени  зависит от массы вибропогружателя, момента эксцентриков, частоты и  амплитуды колебаний. С возрастанием  амплитуды скорость вибробуренияувеличивается. 

Среди применяемых способов  бурения кольцевым забоем в  мягких породах наилучшее качество  инженерно-геологической документации  обеспечивает вибрационный способ. Ничем не ограниченный режимвибробурения позволяет с высокой точностью ( до 0 2 - 0 3 м) устанавливать литологическне границы буримых пород. 

Эффективность работы  беспружинного вибромолота оценивается  по данным о величине отскока  ударной части. Эти данные могут  быть получены при вибробурении скважин путем снятия нескольких виброграмм и нахождения средней величины отскока.