Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Основным способом принудительной посадки и извлечения обсадных труб из скважины до недавнего времени был ударный с помощью забивных снарядов. Однако этому способу присущи недостатки, связанные с большими потерями энергии по длине обсадной колонны. За последние годы предложены и успешно применяются для этих целей эффективные способы и техниче­ские средства.

Вибропогружатели нашли широкое применение как для при­нудительной посадки обсадных труб, так и для их извлечения по окончании бурения. Все вибропогружатели подразделяются на вибраторы и вибромолоты. Возмущающее усилие вибратора передается колонне труб по синусоидальному закону, вибро­молот же, помимо этого, наносит удары по верхнему участку труб. Поэтому вибраторы работают в чисто вибрационном, а вибромолоты в вибрационно-ударном режиме. В плотных породах и глубоких скважинах более производительны вибро­молоты. На практике широкое применение получили беспру — жинные вибромолоты. Максимальное возмущающее усилие виб­ропогружателя определяется выражением

Яв = _тео^_( (13)

В

где Рв — возмущающее усилие, Н; т — масса эксцентриков, кг; е — эксцентриситет эксцентриков, см; © — частота вращения эксцентриков, с-1; £ — ускорение свободного падения, £ = = 981 см/с2.

Эффективность погружения колонны. определяется амплиту­дой колебаний: чем выше амплитуда, тем больше скорость по­гружения; то же можно сказать об извлекающей способности вибромеханизма. Амплитуда колебаний вибрируемой массы оп­ределяется по формуле

л_ 1те (14)

Ов + Qk

где А — амплитуда колебаний, см; | — коэффициент, учитываю­щий взаимодействие колонны с породой, Ј = 0,9-f-0,8; QB, QK — массы соответственно вибромеханизма и обсадной колонны, кг.

Из формулы (1.4) видно, что по мере увеличения глубины погружения (извлечения) обсадной колонны растет масса ко­лонны и снижается амплитуда ее колебания. Поэтому примене­ние даже мощных вибромеханизмов ограничивается глубиной 100—150 м.

При А<А0 (А0—предельное значение амплитуды) погру­жение труб прекращается, т. е. происходит их защемление в по­роде; для песков Ао=0,2, для глин 0,4 см.

Обсадные трубы при погружении испытывают трение о по­роду, поэтому их погружение возможно, если возмущающее уси­лие вибромашины превышает силы сцепления трубы со стей­ками скважины и образующимся керном

Р в^> [jiDuH — j — я Dvfп Тир, (1*5)

где D„ и De — соответственно наружный и внутренний диаметры обсадной трубы, см; H, h — интервалы контакта обсадной трубы с породой соответственно по внешней и внутренней поверхно­стям, см; Ткр — сцепление трубы с трубой, Па; для водоносных песков тКр = 0,005, для глин 0,007 МПа.

Если породу извлекают из колонны желонкой, то глубина погружаемой колонны для заданного возмущающего усилия вибромашины увеличивается.

Погружение труб возможно, если выполняется условие

QB + Qx>Fp0, (1.6)

где F — площадь торца башмака трубы, см2; р0—давление на грунт, при котором происходит погружение трубы; для водонос­ных песков р0=0,15ч-0,3 МПа, для глин ро=0,5 МПа.

В Казахском гидрогеологическом объединении и в других организациях используются вибраторы горлового типа ВО-10 и ВО-6 конструкции Гидропроекта (рис. 1.27, табл. 1.15)’.

Рис. 1.27. Ви0ратор ВО-Ш: / — электродвигатель; 2 — корпус; 3 — шкив клнноременной передачи; 4 — хомут

Таблица 1.15 Технические характеристики вибраторов Показатели ‘ ВО-Ю вое Возмущающее усилие, кН 92 54 Момент дебдлансов, кН • см 5,7 4,0 Число электродвигателей 2 2 Мощность электродвигателей, кВт 2X10 2X7 Масса, т 1,65 0,95

Преимущество вибратора горлового типа заключается в том, что он не закрывает верхнюю часть колонны, благодаря чему не требуется его открепление для желонирования. У устья сква­жины ройэт шурф, V который спускают иибратор, шурф пере­крывают сверху деревянными щитами. Недостаток данного ме­тода— большие габариты вибратора ВО-10, не позволяющие его применять на верхнем участке мачты; это обусловливает необходимость его перек^еплення через 4—5 м. Операция пере — крепления вибратора трудоемка, так как осуществляется вруч­ную, кроме того, его погружающая способность недостаточно высока. Были попытки использовать вибраторы ВО-6 и ВО-14 с диаметром проходног& отверстия под 168- и 377-мм трубы, однако они не получили широкого распространения"

В трестах «Промбурвод» и «Союзшахтоосушение» успешно применяют вибромолоты БВС-1 и вибраторы ВПФ-1 конструк­ции ВНЙИГСа (табл. 1.16).

Таблица Ї.16 Технические характеристики вибропогружателей Показатели БВС-1 ВПФ-1 Тип вибропогружателя Вибромолот Вибратор Дивметр погружаемых и извлекаемых пружинный 219—630 168—426 труб, мм Предельная глубина скважннь/, м 150 60 Диаметр проходного отверстия, мм — 253 Момент дебалансов, кН-см 25 8 Частота колебаний в 1 — мин 600, 700, 800 800, 1000, 1200 Мощность электродвигателей, кВт ,22 15 Грузоподъемность амортизаторов при 24 12 извлечении труб, т Масса вибропогружателя, т 2,4 . 0,86 Габариты в плане, мм* 900X 800 960X 600 Высота без амортизатора, мм 1500 1380

Рис. 1.28. Вибромолот БВС-1: 1 — рабочие Пружины; 2 — направляющий стержень; 3 — ударный стакан; 4 — тяговая балка; корпус; 5 — подвеска; 7 — клеммная коробка; 8 — приводной электродвига­тель: Р —зубчатая передача; 10 — шестерня; И — зубчатое колесо; 12 — дебалансный механизм; 13 — кожух

Общий вид вибромолота БВС-1 приведен на рис. 1.28. Ча­стота вращения дебалансов регулируется съемными шестер­нями.

Вибромолот крепится к верхнему концу обсадной трубы. В вертикальном положении вибромолот удерживается тросами, которые натягиваются специальной лебедкой. После погруже­ния колонны и образования внутри нее пробки породы необхо­димо провести желонирование. Для этого лебедку растормажи­вают, вибромолот откидывается относительно трубы и освобож­дает проходное сечение обсадной колонны. После окончания желонирования включается лебедка, тросы натягиваются, виб­ромолот приводится в вертикальное положение, включается н Процесс погружения труб повторяется.

Ограничитель натяжения троса (рис. 1.29) служит для ав­томатического отключения и включения электродвигателя тя­говой лебедки при использовании вибромолота. Максимальное усилие отключения лебедки и минимальное усилие ее включе­ния устанавливается специальными толкателями на шарнирах.

Жесткое соединение вибромолота с обсадной колонной осу^ ществляется с помощью самозаклинивающегося захвата (рис.

Рис. 1.29. Ограничитель натяжения троса: 1, 3 — толкатели; 2, 5 — конечные выключатели включающий и отключающий; 4~ штырь; 5 —скоба; 7 — площадка; 8— плита; 9 — кронштейн; 10 — пружина; //— про­ушина; 12 — лыжи

1.30), состоящего из клинового хвостовика, скрепляемого с удар­ным стаканом корпуса вибромолота, и клиновой муфты, кото­рая через переходник ввинчивается в муфту обсадной трубы.

Три выступа, имеющие коническую поверхность, составляют рабочую часть клинового хвостовика. В муфте имеются соот­ветствующие конические участки муфты, чередующиеся с ци-

А-/} при радо те

при заМке

Рис. 1.30. Самозаклинивающийся захват и амортизатор;

/ — извлекаемая труба; 2 — переходник; 3 — клиновая муфта; 4 — специальная гайка; 5 — кликовый хвостовик; 6 — присоединительный фланец; 7 — кулак; 3 — винтовая по­верхность выступов муфты; 9 — отверстие; 10 — клиновой скос; 11 — цилиндрический паз; 12 — выступ; 13 — конический участок муфты; 14 — центральная штанга; 15, 18 — верхняя н нижняя плиты; 16 — пружина; 17 — проушина
линдрическиМи пазами. Клиновой хвостовик вставляется в муфту при совмещенном положении выступов хвостбвика и пазов муфты. Соединение затягивается при совмещении кони­ческих поверхностей. Разворот клинового хвостовика относи­тельно муфты в положение затягивания выполняется вручную. Обратный поворот по окончаний извлечения или принудитель­ной посадки трубы осуществляется автоматически при сколь­жении кулачков клинового хвостовика по винтовой поверхно­сти выступов муфты.

Рис. 1.31.хСхема работы вибромолота при посадке обсадных труб: 1 — мачта Сурового ставка; 2 — дннщё; Я —забивная головка; 4 — ударный стакан; 5 — забиваемые трубы; 5 —тяговая лебедка; 7— ограничитель иатяжеиия троса; в — урав­нительный блок; 5 —оттяжной блок; 10 — пульт управления; 11 — трос; 12 — виброме­ханизм

Схема работы вибромолота при посадке обсадных труб при­ведена на рис. 1.3-1.- Управляется тяговая лебедка в двух режи — мдд:1V автоматическим и ручном. Первый режим— основной. КнопочНым автоматом включают электродвигатель лебедки;

трос натягивается й рабочие пружины вибромолота сжймадатся. В момент достижения заданного усилия сжатия пружин Сра­батывает конечный выключатель и электродвигатель лебедки отключается.

Натяжение пружин по мере погружения обсадной колЬнны ослабевает, срабатывает концевой выключатель, включается электродвйтатель лебедки и цикл повторяется.

Возможно ручное управление включением электродвигателя лебедки. Пульт управления смонтирован в отдельном герметич­ном ящике на полозьях и включает в себя автоматические вы­ключатели типа А-3134 и АП50-ЗМГ, магнитные пускателц-типа ПА-313 и ПА-611, промежуточное электромагнитное реЛе, ам — перметр’и вольтметр. На внешней стенке корпуса устайовлены кнопочный пост управления вибромолотом’типа ПКЕ-221-2, пе­реключатели типа КП-4-2 и двухполюсный переключатедь, обес­печивающие управление лебедкой.

Посадка обсадных труб вибромолотом БВС-1 осуществля­ется при частоте вращения дебалансов не более 600. об/мин. Основной режим работы предусматривает натяжение рабочих пружин. Первую (направляющую трубу) можно погружать без натяжения пружин.

Вначале на буровой площадке устанавливают тяговую ле­бедку,-которую крепят к грунту якорями на расстоянии 20— 25 м от станка (рис. 1.32). Затем монтируют систему тросов тяговой лебедки.

В основном режиме вибромолот обеспечивает выход обсад­ных колонн до 60 м и позволяет без очистки ствола, погружать трубы в водонасыщенные пески на 10—12 м, скорость посадки труб составляет 0,2—1,0 м/мин. Тяговая лебедка создает натя­жение пружин с усилием от 20 до 80 кН.

При извлечении обсадных труб из скважины (рис. 1.33) применяют амортизатор. Клиновой хвостовик. болтами присо­единяют к фланцу ударного стакана вибромолота. Клиновая муфта переходником соединяется с обсадной трубой. После заклинивания захвата натягивается канат талевой системы. Вибромолот освобождается ослаблением натяжения тросов та­левой системы и включением вибрационного механизма. Под действием сил инерции захват расклинивается, вибромолот опу­скается вниз и разворачивается до положения, соответствующего совпадению клиновых выступов с цилиндрическими пазами муфты. Последующий подъем талевой, системы требует снятия вибромолота с обсадной трубы. Трубы извлекает в режиме вйб- ратора. Для обсадных колоин большой массы-частоту враще­ния дебалансов увеличивают до 700 й 800Г об/миН.

Обсадные колонны рекомендуется срывать — при минималь­ных скоростях поступательного движения колонны, что дости­гается сжатием пружин амортизатора на 6—7 см силой 160— 180 кН.

Рис. 1.32. Схема расположения оборудования на буровой пло­щадке:

У///////////

/ — якорь тяговой леведки; 2 — тяго­вая лебедка; 3—ограничитель натя­жения троса; 4 — тросы; — В — уравни­тельные блоки; 6 — оттяжной блок;

7 — пульт управления

Рис. 1.33. Схема работы вибромолота прн вибрационном извлечении обсад­ных труб:

/ — мачта бурового станка; 2 — талевая система; 3 — амортизатор; 4 — вибромеханизм;

5 — самозаклниивающийся захват; 6 — извлекаемая обсадная труба; 7 — пульт управ­лення ^

Если колонну извлечь не удается, то целесообразно пооче­редно применять вибропогружение (на 0,5—1,0 м) и ее после­дующее виброизвлечение. Целесообразно для этих целей ис­пользовать систему палиспастов.

Вибраторы ВПФ-1 имеют более низкую погружающую спо­собность по сравнению с вибромолотами ВБС-1 и применяются в скважинах меньшей глубины. Преимуществом ВПФ-1 явля­ется наличие центрального проходного отверстия, что позволяет

Рис. 1.34. Вибратор ВПФ-1:

1 — подвеска; 2 — раструб; 3 — электродвигатель; 4 — вибрацион­ный механизм; 5—кожух цепной передачи; 6 — клеммная коробка; 7 — клиновой захват; Й — проход* нов отверстие; 9 — кабельная раз* водка

Рис. 1.35. Вибромолот С-835:

1 — электрокабель; 2 — клеммная коробка; 3 — дебаланс; 4, 13 — электродвигателя; Б — втулка, в, 10 — тарелки; 7, Я — пружины; Я — штанга; II — наголовник; 12 — муфта; 14 — боек; 15 — наковаль­ня; 16 — овсадная труба; 17 — рас­пределительная муфта

опускать на забой желонку без его снятия. Вибратор приме­няет как для принудительной посадки, так и для извлечения обсадных труб (рис. 1.34). Его укомплектовывают клиновым захватом с переходниками для. труб диаметром 168, 219, 325, 377 и 426 мм, пружинным амортизатором, пультом электриче­ского управления. Конструктивно клиновой захват вибратора сходен с клиновым захватом вибромолота ВБС-1. Частоту вра­щения дебалансов изменяют, сменяя звездочки цепной пере­дачи от электродвигателя к йибратору.

Обсадную колонну’ извлекают, если амплитуда колебаний составляет не менее 2,5^-3,0 мм. Чем больше масса обсадной колонны и чем сильнее она прихвачена породой, тем на боль­ших частотах вращения дебалансов следует извлекать трубы.

В практике треста «Промбурвод» вибраторы ВПФ-1 чаще всего используют для погружения фильтровых колонн и уст­ройств гравийно-обсыпных фильтров с конусным башмаком-рас­ширителем.

Вибромолот С-835 (рис. 1.35), состоит из собственно вибра­тора, двух электродвигателей типа А-52-4 и наголовника. Корпус вибратора соединен с корпусом наголовника четырьмя стяж­ными болтами, в качестве рессор используются цилиндрические пружины. В корпусе наголовника и вибратора имеются кониче­ские гнезда, в которые запрессованы наковальня и боек. Элек­тродвигатели выполнены /в виброустойчивом исполнении с за­креплением обмотки специальной заливкой.

Краткая техническая характеристика вибромолота С-835

TOC o "1-5" h z Момент эксцентриков, кН-см 4,2

Число ударов в 1 мин. . . 480, 725, 1450

Зазор при виброударном реифме, мм: максимальный 12

рекомендуемый…………….. * . . 0—8

Усилие при извлечении труб,. кН 150

Вибромолот С-835 крепится к гладкой части обсадной трубы с помощью клинового заголовника (рис. 1.36), который состоит из массивного литого хорпуса, зажимных секторных клиньев и подвижной части. Центральное отверстие корпуса наголовника выполнено с конической расточкой, что обеспечивает захват и освобождение стенки обсадной трубы при перемещении — клино­вого сектора. Клиньяь соединяются между собой пружинами и равномерно отжимают клиновой сектор при освобождении трубы. Наголовник 1юмплектуют секторами трех видов для об­садных труб диаметрмЬм 168, 219 и 273 мм.

Настройка вибромолота С-835 заключается в, изменении за­зора между бойком и наковальней’ Это достигается поджатием или разжатием пружин. Начинать регулировку рекомендуется с нулевого зазора. В оптимальном режиме вибромолот работает устойчиво и не наблюдается раскачивания ударной части.

Рнс. 1.36. Клиновой наголовник С-835;

1 — проушина; 2 — сектор клиновой;

наковальня; 4 — зажнм для ка­беля; 5/—корпус; б —кольцо; 7 —па* лец; 8 —шпилька; 9 — гайка; 10 — контргайка; 11 — пружина; 12 — опора

Рис. 1.37. Устройство для соединения вибромолота с обсадной трубой УСВ-1:

1 — направляющая рейка; 2 — замок; 3 — центратор; 4, 5 — фланцы; 6 — мачта; 7 — стойка ролика ременной передачи; 8, 12 — верхний и инжний патрубки; 9 — направля­ющая косыйка; /0 —винт; /Л—кожух; /3 — штропы; 14 — шарнир; 15 — электродвига­тель; 16 — ременная передача

По исследованиям М. Н. Климентова, потребляемая мощ­ность на работу С-835 зависит от величины зазора между бой­ком и наковальней.

Зазор, мм. . . 2—4… 6—8 10—12

Мощность, кВт………………………………………….. 6—8. 10^-14 16—19

Не допускается превышение потребляемой мощности более номинальной мощности электродвигателя, так как это ведет к его перегреву и выходу из строя.

Быстрое соединение вибромолота с обсадной колонной вы­полняется устройством УСВ-1, имеющим многошарнирный сек­торный замок-захват,, управляемый дистанционно реверсивным электродвигателем и самотормозящим червячным редуктором

Рнс. 1.38. Схема установки и снятия вибромолота с колонны обсадных труб устройством УСВ-1: / — Грос рабочий; 2 — раскос; 3 — оттяжной ролнк; 4 — трос оттяжной; 5 — лебедка от­тяжная; 6 — станок УГБ-4УК; 7 — УСВ-1; 8 — вибромолот; 9 — мачта станка

(рис. 1.37). Схема установки и снятия вибромолота с колонны обсадных труб приведена на рис. 1.38.

Опыт применения вибромолотов С-835 в Казахском гидро­геологическом объединении показал их высокую эффективность в валунно-галечниковых отложениях VI—VII категорий по бу-

Таблица 1.17 Результаты применения вибромолота С-8Э5 Диаметр обсадной колонны, мм Максимальная длина колонны, м Толщииа слоя породы в колонне, м при погружении прв извлечении при погружении при извлечении 219 150 18,4 273 150 151 49 51 324 115 118 45 56 426 70 35,6 70 35,6

римости с незначительными прослойками супесчаных и гравели­стых пород III—IV категорий по буримости. Результаты при­менения вибромолота С-835 приведены в табл. 1.17.

Использование вибромолота С-835 показало более высокие скорости извлечения обсадных колонн по сравнению с вибра­торами ВОгЮ и гидродомкратами ГД-100/500 и ГД-1-300 (табл. 1.18).

Применение вибромолота С-835 для извлечения обсадных труб по сравнению с гидравлическими домкратами грузоподъ­емностью до 100 т повышает производительность труда в. 2— 4 раза. Извлечение труб вибромолотом наиболее эффективно при одновременном статическом усйлии лебедки от 30 до 120 кН. Этот вибромолот с успехом используется для извлече­ния и посадки обсадных труб диаметром до 299 мм при глубине до 150 м.

В предгорьях Заилийского Алатау ударное бурение осущест­влялось Казахским гидрогеологическим объединением на глу­бину 150 м с закреплением ствола четырьмя колоннами обсадных труб. Одну колонну после окончания бурения извлекали с по-

Таблица 1.18 Технические скорости извлечения и погружения обсадных колони Техническая скорость, м/смену Диаметр обсадной при извлечении при погружении колонны, мм ГД-100/500, ГД-1-300 ВО-Ю С-835 во-ю С-835 273 4,3 7,6 12,8 2,0 2,2 324 3,8 9,5 12,8 2,1 426 3,4 6,0 6,5 — 1,75 Средняя техническая ско­рость, м/ч 3,8 7,9 12,7 2,0 2,1

мощью вибромолота’С-835, в некоторых случаях удавалось из­влечь две колоины. Если применение гидравлического домкрата ГД-1-300 в течение 30 смен не давало положительного резуль­тата, то при использовании вибромолота колонну труб извлекали за 6—8 смен. В ряде случаев удавалось поднять трубы, кото­рые не могли извлечь вибромолотом ВО-10.

Время на извлечение труб составляло до 30 % от общего времени работы.

Вибромолоты с успехом использовались для извлечения из скважин труб, пробуренных два — четыре года назад. Если виб­ромеханизмы не обеспечивали подъема труб, то в них прово­дили взрыв ТДШ, что в большинстве случаев оказывалось эф­фективным. Средняя техническая скорость извлечения труб из старых скважин составила около 7,3 м/смену.

Использование вибромеханизмов для принудительной по­садки труб позволяет избежать смятия башмаков в валунных отложениях и прихватов долота и желонки в трубах. Метод посадки обсадных колонн вращением также увеличивает их выход. Для этих целей могут использоваться редукционные лебедки, обеспечивающие частоту вращения колонны от 6 до 80 с-1. В практике такой метод не получил широкого примене­ния, он реализован лишь в установках БУГ-ЮОМ и БУГ — 75-2М,

Для извлечения труб из скважин используют гидравличе­ские домкраты. Применение талевой системы буровых станков для этих целей в большинстве случаев оказывается неэффек­тивным из-за малой грузоподъемности мачты или вышки.

С целью облегчения страгивания обсадных труб в них можно взорвать несколько ниток ТДШ.

В ПГО «Иркутскгеология» создана самоходная установка СТУ-100/8 для извлечения обсадных труб.

Краткая техническая характеристика СТУ-ЮО/8

Тяговое усилие, кН:

TOC o "1-5" h z на I передаче ^1000

на II передаче. . ^400

Скорость подъема труб, м/мин:

на I передаче 0,1

на II передаче . 0,25

Рабочий ход траверс, мм 30.0

Развинчивание труб Механическое, рычажным

ключом с гидроприводом Производительность, м/смену 50—70

Потребляемая мощность, кВт 10

Лебедка:

грузоподъемность, т….. 2,5

скорость найивки каната на барабан, м/с 0,25

потребляемая мощность, кВт 9,5

Стоимость установки, руб. 10 936

Транспортная база Трактор Т-100М, автома­

шины МАЗ-500, «Урал-375», КрАЗ

Рис. 1.39. Самоходна-я трубоподъемиая установка на базе трактора Т-100М (а) и автомашины МАЗ-500 (б): 1 — транспортная база; 2 — мачта; 3 — гидравлический домкрат

Установку СТУ-100/8 можно монтировать на санях и транс­портировать специальными средствами (рис. 1.39).

В настоящее время в ПГО «Иркутскгеология» разработана новая модификация установки СГУ-130/12А. Она смонтирована на базе автомашины «Урал-375» и рассчитана на извлечение обсадных труб диаметром до 325 мм, усилие извлечения состав­ляет 127,5 кН.

В тресте «Востокбурвод» принудительную посадку обсадных колонн в процессе бурения успешно проводят с помощью си­стемы полиспаста. Усилие задавливания на колонну достигает 150—200 кН и более. Для этих целей на верхнем конце обсад­ной колонны устанавливают специальную муфту с роликами, к продольным ряжам крепят нижний ряд роликов. Ряжи на­дежно крепятся к грунту анкерами.

Разведочные скважины после опробования подлежат ликви­дационному тампонажу, обсадные трубы по возможности из­влекают.

Комментарии запрещены.