Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Под вибрационным бурением понимается спо­соб, при котором рабочее воздействие на забой скважины формируется путем передачи породоразрушающему инстру­менту (виброзонду) через колонну бурильных труб вибраци­онной (высокочастотной ударной) нагрузки от поверхностно­го вибратора.

Принципиальная схема вибрационного бурения представ­лена на рис. 16.3. На рис. 16.4 представлена принципиальная схема конструкции генератора высокочастотной ударной на­грузки, именуемого электромеханическим вибратором или вибромолотом.

Работа вибромолота осуществляется следующим образом. Дебалансы 1 расположены на осях, закрепленных в корпусе 4, симметрично плоскости симметрии вибромолота, связаны между собой зубчатым зацеплением и с электродвигателем — клиноременной передачей (на рис. 16.4, не показаны, см. рис.

16.3) . Каждый дебаланс имеет эксцентриковый сектор-утяже­литель. Масса и расположение эксцентриков на дисках деба­лансов строго тождественны. Имея противоположное направ­ление вращения, диски дебалансов всегда располагают утяже­лители-эксцентрики в противофазе по отношению к горизон­тальной (боковой) составляющей их движения и синхронно по отношению к вертикальной составляющей движения. Бла­годаря этому горизонтальные составляющие центробежной силы инерции, возникающей при вращении эксцентрика, уничтожаются, а вертикальные составляющие — складывают­ся. Массивный кованый корпус вибромолота массой 300- 400 кг совершает движения вверх-вниз с частотой, равной циклической частоте электродвигателя.

Рис. 16.3. Принципиальная схема вибрационного бурення:

1 — виброзонд; 2 — бурильная колон­на; 3 — вибратор; 4 — ролик на верши­не мачты; 5 — канат; 6 — лебедка; 7 — электрокабель

Максимальное усилие удара, развиваемое вибратором оп­ределяется по формуле

Ртах = Д10)2е, (16.6)

где т — суммарная масса эксцентриков; <» — угловая скорость вращения дебалансов; е — величина смещения центра тяжести эксцентриков относительно оси вращения дебалансов.

Вибромолотом именуется утяжеленный вибратор. Конст­рукция вибромолота (см. рис. 16.4) предусматривает ограни­чение амплитуды вертикальных колебаний путем пружинной фиксации и значительного увеличения массы соударяющихся элементов — ударной плиты 2 с бойком 7 корпуса 4 с нако­вальней 6. В соответствии с законом сохранения количества движения ударная нагрузка при этом обеспечивается с мини­мальной амплитудой колебаний (не более 15 мм), что улучша­ет режим работы вибратора, увеличивает его надежность.

Главным технологическим инструментом при вибрацион­ном бурении является виброзонд — трубчатый инструмент, внедряемый в массив горной породы и извлекаемый на по­верхность вместе с пробой вещества (керном). Виброзонд не-

редко выполняется разъемным или с боковой прорезью, об­легчающей геологическое описание пробы рыхлого минераль­ного вещества в его естественном состоянии. Схемы инстру­ментов для вибробурения представлены на рис. 16.5.

Механизм воздействия виброзонда на горную породу при вибрационном бурении не так прост, как это может показать­ся на первый взгляд. В принципе, вибрационное бурение осу­ществляется путем уплотнения горной породы и обусловлен­ного этим уменьшения ее объема в зоне, контакта с образова­нием кольцевой полости, в которую и погружается виброзонд в процессе бурения без осевого воздействия (масса снаряда не обеспечивает необходимого усилия подачи) и без враще­ния. Специфика способа заключается в том, что переуплотне­нию с выделением физически связанной воды в зоне контак­та подвергаются даже такие горные породы с весьма плотной
упаковкой частиц, как глины. Таким образом, процесс по сво­ему содержанию представляет не механическое раздвигание, перемещение или переотложение частиц породы, а глубокую их трансформацию на физическом уровне. Рассмотрим меха­низм вибробурения, используя схематичное изображение ра­боты виброзонда, представленное на рис. 16.6. Высокочастот­ные ударные импульсы Р в колонне бурильных труб и вибро­зонде трансформируются в кольцевые зоны напряжений сжа­тия ст, перемещающиеся вдоль бурового снаряда со скоро­стью звука в виде волн сжатия-растяжения. Волна сжатия в соответствии с законом Гука, увязывающим величины напря­жения и деформации, в теле виброзонда проявляется микро­скопическим утолщением — местным кольцеобразным увели­чением диаметра, перемещающимся вниз по зонду вместе с волной сжатия (на схеме рис. 16.6 показано пунктиром).

Микроскопическая по амплитуде механическая деформа­ция формирует усилие со стороны набегающего фронта вол­ны сжатия на облегающую виброзонд породу, которая явля­ется колоссальным по величине и высокочастотным — много­кратно повторяющимся. Благодаря этому происходит более компактное расположение породообразующих частиц, устра­нение пор и вытеснение свободной и физически связанной воды в контактном слое околоскважинного пространства и в керне.

Описанный характер воздействия на породу при вибробу­рении объясняет некоторые парадоксы и особенности техно­логии бурения этим способом.

Во-первых, вибрационным способом бурятся только физи­чески уплотняемые породы — даже самые слабые непрочные скальные породы вроде углей, каменных солей, меловых отло­жений абсолютно не поддаются вибробурению вследствие то­го, что упругие волны рассеиваются в них, не обеспечивая перевода упругой деформации зонда в пластическую дефор­мацию породы и ее уплотнения в зоне контакта.

Во-вторых, вибрационным способом легко проходятся скважины в таких труднобуримых породах, как например, су­хие (с физически связанной водой) коры выветривания со щебнем, гравийно-галечниковые отложения, но весьма плохо бурятся плывуны — обильно-обводненные пески и близкие по строению к ним лессовидные породы, практически не имею­щие механической прочности в свободном состоянии. Непо­датливость предельно слабых пород объясняется тем, что из — за своего строения данные породы в массиве под действием горного давления имеют предельно плотную упаковку частиц.

В-третьих, вибрационное бурение имеет ограниченную глубину применения. Это связано с “расплыванием" упругих волн сжатия при распространении их по колонне бурильных труб — длина зоны сжатия (растяжения в противофазе) увели­чивается, а амплитуда изменения диаметра зонда уменьшает­ся и, следовательно, снижается эффективность бурения.

Исследованиями Б. М. Ребрика была установлена зависи­мость скорости вибробурения V от глубины скважины Н:

2 84

V = -4=- — 0,47. (16.7)

<н

Согласно этой формуле, глубина бурения вибрационным способом при установке вибратора на поверхности в принци­пе не может превышать 36 м.

Одна из существенных особенностей технологии вибробу­рения — ограниченность длины рейсовой углубки (как прави­ло, не более 2,0-2,5 м). Это объясняется тем, что по мере на­полнения виброзонда керном увеличивается масса, подвер­гающаяся вибрации — по закону о сохранении количества движения пропорционально уменьшается амплитуда вибра­ции, соответственно уменьшаются и технологические воздей­ствия на породу.

В пластичных вязких породах ограничение длины рейса может быть связано также с необходимостью предупрежде­ния так называемого свайного эффекта. При заполнении виб­розонда вязкой породной массой в определенный момент времени сила сопротивления перемещению этой массы внут­ри виброзонда может превысить силу сопротивления забоя внедрению виброзонда в массив сплошным забоем. В этом случае виброзонд, закупоренный уплотненной породной пробкой, погружается в массив как свая, что приводит к по­тере геологической информации и искажению представлений

о строении разреза.

Наиболее негативные последствия свайного эффекта на­блюдаются в случае использования бесступенчатой конструк­ции скважины, при использовании виброзондов одного диа­метра от забуривания до окончания скважины. При вибробу­рении не наблюдается сколько-нибудь ощутимого увеличения диаметра ствола скважины за счет разбуривания. Кроме того, пластичные породы склонны к затягиванию ствола скважины под действием горного давления. При использовании бессту­пенчатого ствола скважины виброзонд заполняется породой, срезаемой со стенок скважины до достижения забоя. Это са­мо по себе приводит к значительным погрешностям вещест­венного опробования, а при возникновении свайного эффек­та ведет к грубым ошибкам разведки, т. е. представляет собой недопустимый технологический брак.

Комментарии запрещены.