Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Ударный режим разрушения горных пород наиболее эффек­тивен в хрупких породах, у которых предел прочности на ска­лывание составляет 6—9 % от предела прочности на раздавли­вание. При ударном бурении разрушение породы происходит в динамическом режиме, а известно, ^то статическая твердость горных пород в 8—9 раз больше динамической. Время удара долота о породу составляет всего 0,003—0,005 с, поэтому роль сил трения долота о породу значительно меньше, чем при вра­щательном бурении, и износ долот при ударном бурении су­щественно меньше, чем у долот и коронок при вращательном бурении. При ударном бурении долото произвольно провора­чивается вокруг оси на некоторый угол, поэтому рекомендуется на канате устанавливать хомут, который рабочий после каж­дого удара поворачивает ориентировочно на 30°. Максималь­ная скорость долота будет в момент его удара при свободном падении в стволе скважины, поэтому ударный механизм станка должен обеспечивать эту скорость при своем движении вверх.

Эффективное разрушение породы определяется кинетической энергией при падении бурового снаряда.

Вес бурового снаряда С рассчитывается по формуле

(1.7)

Ф — Фд + Фу. ш + Фр. ш >

где фд, фу. ш, фр. ш — вес соответственно долота, ударной штанги, нижней раздвижной штанги, Н.

Если породы нетрещиноватые и невязкие, то бурение ведут без раздвижной штанги, в этом случае вес бурового снаряда

(1.8)

ф — Фд + Фу. ш + Фэ.

где ф3 — вес канатного замка, Н.

Вес каната в формуле (1.8) не учитывается, так как в мо­мент удара канат теряет устойчивость и лишь незначительно увеличивает вес бурового инструмента. Но вес каната следует учитывать при определении грузоподъемности инструменталь­ной лебедки.

(1.9)

Вес бурового снаряда подбирают, исходя из значений отно­сительного веса

Ф = ?£,

где д — относительный вес инструмента, Н/см; И — диаметр до­лота, см.

. 15—25 . 25—40 . 40—50 . 50—70

Мягкие и рыхлые Средней твердости Крепкие. . . Очень крепкие

Для пород различной крепости рекомендуется применять со­ответствующие значения д (в даН/см).

Относительный вес инструмента прямо пропорционален длине и диаметру долота. Абсолютный вес

С} = у10 (1.10)

где ф — коэффициент пропорциональности, ф = 0,004-^0,001; £ — длина бурового инструмента, м; /) — диаметр долота, м.

Из формулы (1.10)’ следует, что в твердых и крепких поро­дах, когда <?С^40 даН/см, необходимый вес бурового снаряда достигается лишь при достаточно больших диаметрах долота. Поэтому в крепких И твердых породах необходимо бурить до­лотами диаметром более 250 мм.

Максимальная допустимая высота падения снаряда 5тах определяется по формуле

(1.П)

5тах — [<*сж]2/3,2 Ь,

где [а««] — допустимое напряжение на сжатие, МПа, Ь — уско­рение падения снаряда в скважине, м/с2, й«4,5ч-6,5 м/с2.

Между числом ударов и высотой падения бурового снаряда существует следующее соотношение:

(1.12)

п х 20-у/Ь/Б,

где п — число’ ударов в 1 мин; 5 — высота падения снаряда, м.

С увеличением глубины бурения возрастают упругие дефор­мации каната, что может существенно изменить амплитуду ко­лебаний снаряда. Поэтому в глубоких скважинах увеличивают высоту падения и снижают число ударов снаряда.

В твердых и крепких породах длину каната регулируют так, чтобы в статическом положении долото не касалось забоя на величину навески Н. При работе ударного механизма буро­вой снаряд продолжает движение вниз за счет упругих дефор­маций компенсационного устройства и поворачивания оттяж­ного ролика, а также упругих деформаций каната. При этом долото достигает забоя с высокой скоростью, и станок рабо­тает без рывков при подъеме снаряда.

Величину навески подбирают из условия Н= (0,2-М),25)/, где / — коэффициент крепости пород по М. М. Протодьяконову.

Ускорение свободного падения снаряда в скважине зависит от количества шлама и характера пород. В чистой скважине Ь =»8,75, в глинистых породах 4,5ч-5, в скальных 6ч-6,5 м/с2, поэтому число ударов в процессе рейса следует изменять. Од­нако в существующих станках ударного бурения оперативно из­менять ни число ударов, ни высоту падения снаряда нельзя: на это надо затрачивать значительное времй. Указанное об­стоятельство является существенным недостатком и должно быть учтено при проектировании новых станков. Шламовый режим оказывает существенное влияние на скорость бурения: увеличение плотности и вязкости жидкости повышает сопро­тивление движению снаряда, однако з такой жидкости лучше

удерживается, шлам и на забое не образуется подушка из раз­рушенной породы. Эксперимеятально установлено, что плот­ность жидкости менее 2 г/см3 незначительно сказывается на конечной скорости падения снаряда, однако увеличение плотно­сти свыше 2 г/см3 существенно снижает скорость. Высота столба жидкости, в интервале 0—4 м также существенно ска­зывается на скорости падения снаряда, но при значениях 5— 7 м и более она стабилизируется.

Чистка скважины желонкой и долив воды позволяют ре­гулировать ее плотность и высоту столба. Если бурение ве­дётся в водонасыщенных породах, то в скважину поступает пластовая вода и долив воды можно ограничить или ие до­ливать воду совсем..

В неустойчивых рыхлых породах процесс углубления сов­мещают с посадкой труб. Чтобы вызвать движение труб, осу­ществляют желонирование. Нельзя допустить,- чтобы желонка выходила из-под башмака трубы более чем> на 1,5—2,0 м, так как это может привести к ее прихвату и заклиниванию.

В рыхлых водовмещающих породах, особенно если они об­ладают плывунными свойствами, при чистке скважины в трубах образуются песчаные пробки вследствие более интенсивного от­бора воды желонкой. При этом посадка колонны прекращается. Для ликвидации песчаных пробок в скважину рекомендуется заливать воду и поддерживать ее уровень выше статического уровня проходимого водоносного пласта.

Выход колонр повышается, если процесс бурения и обсадки ведется в скважине, заполненной водой. В этом случае пласто­вое давление подавляется столбом воды и стенки скважины находятся в устойчивом состоянии. Так как вода фильтруется в пласты, то необходимо постоянно доливать воду в скважину и поддерживать ее уровень на отметке не менее чем на 2—3 м выше статического напора пласта. В практике уровень воды в скважине обычно поддерживается у устья.

Если в плывунах создаются в скважине высокие пробки, то рекомендуется заливать в нее глинистый раствор.

В разнозернистых водонасыщенных песках проходка осущест­вляется желонкой с одновременной-посадкой колонны. После заполнения желонки шламом на ]/з высоты ее начинают под­нимать, не прекращая при этом посадки труб. В песках уско­ряют углубление, забрасывая жирную глину в скважину, что способствует связыванию частиц песка с глиной. Нельзя допу­скать полного заполнения желонки шламом —это может при­вести к переливу шлама через верхний открытый конец же­лонки и ее заклиниванию. Диаметр желонки в таких породах должен быть в среднем на 100 мм меньше внутреннего диа­метра труб. В водоносных песках, особенно в плывунах, пере­ход на трубы другого диаметра не рекомендуется. Однако если это применяется, то необходимо в скважину забросить шарики жирной глины, утрамбовать нх болванкой или желонкой с закрытым клапаном и лишь после этого спустить колонну. Диаметр колонны должен быть не менее чем на 100 мм меньше диаметра предыдущей "трубы. Глинистые шарики выполняют роль тампонажного кольца, не позволяя поступать песку в меж — трубный зазор и заклинить колонну.

В гравелистых песках с включениями гальки следует при­менять утяжеленные желонки, изготовленные из толстостенных труб. Иногда над желонкой устанавливают ударную и раз­движную штанги. В Мягких Породах применяют обычно плоские долота, в породах средней твердости — двутавровые. После долива воды — в скважину следует перемешать шлам расхажива­нием снаряда.

При бурении в глинах, чтобы облегчить освобождение же­лонки от породы, можно применять желонку со сменным баш­маком (на резьбе).

Сокращение времени на освобождение желонки от породы достигается применением двух желонок н поочередным их спу­ском. Когда работает первая, вторая очищается от породы.

В мягких суглинках и глинах бурить можно удлиненной же­лонкой с инструментального барабана станка.

В твердых трещиноватых породах бурят крестовыми доло­тами или долотами с большой Дробящей поверхностью. Если трещины больших размеров и вода полностью в них поглоща­ется, то периодически в скважину забрасывают глину (чаще в виде шариков диаметром 4—7 см) и бурят, в течение 2—3 Мин всухую, затем доливают 2—3 л воды, перед чисткой^ в сква­жину доливают повторно воду.

В крупных и крепких валунах применяют пирамидальные долота, ч причем снаряд свободно бросают в скважину; Разви­вая большую скорость, снаряд раскалывает валун или отодви­гает его в сторону; в валунах применяют также тяжелые округ­ляющие долота. Если эти методы не дают желаемого резуль­тата, то применяют взрывные работы. После проходки интер­вала залегания валунов и крупной гальки необходимо сразу же закрепить его обсадной колонной.

В многолетнемерзлой породе буровой снаряд может быть прихвачен в скважине, поэтому важно, чтобы он находился все время в движении. Для того, чтобы снизить температуру замерзания воды в скважине, можно заливать воду, обработан­ную ЫаС1 (1 кг соли на 40—50 л воды на 1 м проходки), и го­рячую воду.

Ударное бурение производится с креплением стенок сква­жины трубами. Для различных размеров обсадных труб исполь­зуется буровой инструмент соответствующих размеров (табл. 1.19),

При использовании вибратора ВПФ-1 в водонасыщенных песках’ рекомендуется применять желонки с продольным

Типовой набор обсадных труб и бурового инструмента Обсадная труба Буровой Наруж­ный днаиетр, мм Диаметр муфты, мм Рекомен­дуемая толщина стенки, мм Номиналь­ный размер резьбы, мм Дол Диаметр, мм стандарт­ ной обточен­ ной долота шейки 508 533 520 11 І07Х 152 445 220 426 451 439 9; 10 101X127 395 188 377 402 390 9; 10 101X127 345 188 324 351 339 9; 10; 11 82 X 107 298 (295) 165 273 299 289 7; 8; 9; 10 82 X 107 248 (245) 165 219 245 235 7; 8; 9; 10 69X95 198(195) 140 168 188 175 6; 7; 8; 9; 10 50X76 148 112

разрезом, В этих желонках существенно облегчается процесс из­влечения породы.

Бурить скважины большого диаметра и погружать сваи-обо­лочки диаметром 1000—1500 мм можно виброснарядами типа ПВ конструкции ВНИИГСа и виброгрейфером ВГ-1000 кон­струкции Гидропроекта.

“^Рекомендуемые режимы ударного бурения приведены в табл. 1.20.

Примерные технологические режимы бурения установкой УГБ-4УК при диаметре обсадных труб 273 мм в породах V— VII категорий по буримости при использовании вибраторов ВО-10 и вибромолотов С-835 приведены в табл. 1.21.

Исследованиями В. М. Лукина и В. В. Верстова установ­лено, что производительность ударного бурения может быть значительно увеличена при дополнительном динамическом воз­действии на забой. Буровой снаряд с дополнительными про-

Таблица 1.20 Рекомендуемые режимы бурения Породы Показателе мягкие средней твердости твердые трещино­ ватые крепкие Продолжительность рейса 2 8 17 25 35 долота, мин Проходка аа рейс, м 1—1,6 0.7—1,0 0,4—0,7 0,5—0,7 0,3—0,4 Высота столба шлама, м 2,5 1.8 1.1 1.0 1.0 Количество подливаемой 60—70 40—60 20—50 30—50 20—30 воды за рейс, л Высота падения долота, м 0,5 0.9 1.1 0,9 1,2

ОТО		Ударная штанга	Раздвижная штанга	Канатный дамок
Масс	а, кг	Диаметр,	Длина,	Ход, мм	Масса,	Диаметр,	Масса,
двутав­ рового	округ­ ляющего	мм	м	кг	мм	кг
320	596	220	2; 4	220	490	220	127
200	398	188	2; 4; 6	188	340-	188	95
180	370	188	2; 4; 6	188	340	188	95
120	310	165	2: 4; 6	165	245	165	77
93	200	165	2; 4; 6	165	245	165	77
70	120	140	4; 6	140	166	140	56
425	85	112	4; 6	112	112 ,	112	38

дольными ударами использует энергию движущихся масс удар­ного снаряда: ударник наносит серию ударов по наковальне и долоту, т. е. действует виброударный режим разрушения по­роды.

В тресте «Промбурвод» были проведены испытания такого снаряда. Частота ударов достигала 150—200 в 1 мин, скорость бурения увеличилась в 1,3—1,4 раза.

Буровой снаряд с дополнительным крутильным ударом поз­воляет воздействовать на породу не только вертикальным, но

Таблица 1.21 Технологические режимы бурения при использовании вибропогружателей (по данным М. Н. Климентова) Вибратор ВСЫ0 Вибромолот С-835 Параметры Погружение Извлече­ ние Погружение Извлече­ ние Масса бурового снаряда, кг 800—1200 800—1200 Масса снаряда прн чистке сква­жины, кг Высота подъема снаряда, см 450—600 — 450—600 — 100 — 100 , — Частота ударов в 1 мин 45 — 45 _ Продолжительность рейса до­лота, мин 10-60 — 10—60 — Продолжительность чистки, мин 2—20 t — 2—15 _ Проходка 3^ цикл, см ‘ 12—60 —_ 15—80 _ Количество включений вибро­погружателя за цикл 1—4 — 1—3 — Продолжительность работы за одно включение вибропогружа­теля, мин Посадка труб за цикл, см 2—5 5—15 1—3 5—10 10-15 — 10—70 _ Нагрузка на крюке, кН 80—100 ,— 100—150

Таблица 1.22

Классификация горных пород по буримости

Категория ‘ горных пород по бурвмости

Типичные горные породы

I. Торф и растительный слой без корней, рыхлые пески, лёссовидные суглинки

II Рыхлые песчано-глннистые грунты с примесью (до 20 %) мелкой

гальки и гравия; глииы пластячные, песчаные

III Песчано-глинистые грунты со значительной (более 20 %) при­месью щебня, гравия и мелкой гальки; плотные глииы и су­глинки; пески-плывуиы, сухие пески; лед

IV Песчано-глинистые грунты с большим (более 30 %) содержанием гальки или щебня

V Мелкий галечиик без валунов; песчаники на известковом н желе­

зистом цементе; известняк, доломиты, мрамор VI Крупный галечник с небольшим количеством мелких валунов;

окварцованные сланцы, известняки и песчаники; крупнозерни­стые изверженные породы VII Галечник с большим количеством крупных валунов; кремнистые

сланцы, известняки и песчаники; мелкозернистые изверженные породы

и крутильным ударом. Ударник выполнен в виде винта, вхо­дящего в корпус. В момент удара долота о породу ударник дви­жется — под действием сил инерции, при этом расклиниваются клиновые пояса. Дальнейшее движение ударника происходит по винтовой линии до момента удара выступов по корпусу — возни­кает крутильный удар, способствующий скалыванию породы на забое скважины.

Буровой снаряд с дополнительным рыхлением забоя позво­ляет осуществлять опережающее разрушение породы. Испыта­ния снаряда показали, что скорость проходки увеличивается в 1,2—1,3 раза.

Все горные породы по буримости разделены на семь кате­горий. В табл. 1.22 дана классификация типичных горных по­род по буримости при ударном бурении.

Ведущие зарубежные фирмй США, Японии, Англии, Шве­ции и других стран по существу отказались от классической схемы ударного бурения. Разработаны и успешно применяются новые модификации инструмента и оборудования, схемы ком­бинированного бурения. Японские установки 5М22=и имеют ле­бедки повышеннрй грузоподъемности, применяются утяжелен­ные желонки, позволяющие работать без раздвижной и ударной штанг.

Башмак желонки армируется твердосплавным вооружением в зависимости от свойств пород.

Бурение в валунах успешно выполняется комплектом аме­риканской фирмы «Трайден», включающим долото, смеситель и подвижный молот. Долото армируют сменными лопастями, ко­торые крепятся к корпусу болтами. Для разных горных Пород применяют: лезвия с различным вооружением и геометрией. Смеситель представляет собой ударную штангу с двумя про­дольными пазами и наклонными ребрами. Перемещение смеси­теля в скважине способствует более интенсивному перемеши­ванию шлама и созданию зон турбулентности, что, в свою оче­редь, обеспечивает лучшее удержание шлама во взвешенном состоянии. Забой эффективнее очищается от разрушенной по­роды, что увеличивает скорость бурения и уменьшает вероят­ность искривления скважины.

Над смесителем устанавливают подвижный молот, представ­ляющий собой: пустотелую ударную штангу диаметром 114 мм и длиной 5,2 м, внутри которой перемещается боек массой -135 кг. Между’бойком и нижним торцом ударной штанги вклю­чена пружина. Такая конструкция обеспечивает отставание удара бойка от удара долота по забою. Усилием сжатой пру­жины боек отбрасывается вверх и выполняет функции раздвиж­ной штанги. В сухих породах раздвижные штанги поэтому не применяют.

В твердых аргиллитах скважину глубиной 54 м и диаметром 152 мм бурят за 6 Дней со средней скоростью 8,85 м/смену. При обычной технологии ударного бурения аналогичная скважина бурится за 12 дией. Расходы на приобретение комплекта обо­рудования окупаются за 30—45 смен работы.

Многие зарубежные фирмы отказались от применения воды в качестве промывочного агента. Длй этих целей применяют различные полимерные жидкости и пены, обеспечивающие луч­шую очистку забоя от шлама и повышающие скорость бурения.

Ряд зарубежных фирм применяет на ударной штанге на­клонные ребра, выполняющие роль турбулизаторов в столбе жидкости. В результате шлам поднимается и удерживается во взвешенном состоянии, что улучшает работу долота. Скорость бурения возрастает примерно в 2 раза.

Комментарии запрещены.