8. 3. Медленновращательное и комбинированное бурение

Медленновращательное бурение

При вращательном бурении без очистного агента разрушение породы и углубка скважины происходит за счет срезания и частичного уплотнения породы вращающимся инструментом с режущими лезвиями – буром. При этом разрушается и уплотняется лишь незначительная часть породы из общего объема скважины, а большая часть попадает внутрь или на лопасти бура и затем извлекается вместе с ним из скважины и используется в качестве образца. Поскольку при таком воздействии инструмента приходится преодолевать значительное сопротивление при уплотнении породы в стенки скважины и большие силы трения, для вращения инструмента требуются весьма высокие значения крутящего момента. При ограниченной величине приводной мощности увеличение крутящего момента можно получить только за счет снижения частоты вращения. За счет интенсивного трения инструмента о стенки скважины с увеличением скорости вращения резко возрастает выделение тепла и нагрев инструмента. В виду всего этого, вращательное бурение без очистного агента возможно только при невысоких скоростях вращения, обычно в пределах 0,1-1,0 с^-1, почему этот вариант и называется «медленновращательное бурение» (при вращательном бурении с очистным агентом или шнеками частота вращения 2,0-25 с^-1).

Крутящий момент при медленновращательном бурении составляет до 3-5 кН, причем значения момента возрастают по мере внедрения инструмента в породу за счет увеличения трения и уплотнения породы. Одновременно за счет уплотнения породы снижается и скорость бурения. Характер зависимостей М_кр и V_м от величины углубки инструмента параболический. С учетом этих зависимостей рациональная углубка за рейс составляет от 0,3-0,5 до 1,2-1,5 м.

Для разрушения, уплотнения породы и внедрения инструмента одновременно с его вращением, требуется передача на инструмент осевой нагрузки, величина которой составляет от 1-3 до 10-15 кН.

В зависимости от свойств буримых пород и требований опробования применяют различные буры или грунтонасосы. В плотных связных породах при отсутствии особых требований к качеству образцов применяется спиральный бур, называемый также «змеевик» рис.8.15. Такой бур легко ввинчивается в породу (как штопор), не нуждается в создании осевой нагрузки, но требует значительных усилий при извлечении. После углубки на 0,3-1,5 м. бур без вращения поднимается на поверхность вместе с породой, удерживаемой на его лопастях. В рыхлых, малосвязных, влажных породах используется ложковый бур (буровая ложка). Ложковый бур имеет режущие лопасти, которые срезают слой породы, поступающей внутрь бура, где она уплотняется и за счет этого удерживается при подъеме бура на поверхность.

При необходимости, для получения образцов с ненарушенной структурой, используются различные грунтоносы. Грунтонос разрушает породу по кольцевому забою, в центре которого остается ненарушенный столбик породы, попадающий внутрь грунтоноса. Внутри корпуса грунтоносов обычно имеется разъемная гильза или другие приспособления, облегчающие извлечение и обеспечивающие сохранность образца, один из грунтоносов показан на рис. 8.15.

При медленновращательном бурении вращение и осевая нагрузка передаются на бур или грунтонос через колонну бурильных труб. Трубы служат также для спуска бура в скважину и подъема его на поверхность. Соединяются трубы между собой в колонну резьбовыми соединительными элементами, обычно муфтово-замкового типа. Для медленновращательного бурения обычно используются бурильные трубы геологоразведочного сортамента с наружным диаметром 50 или 63,5 мм, длина труб 3-4,5 метра.

а б в

Рис. 8.15. Буровой инструмент для медленно-вращательного бурения

а – спиральный бур (змеевик),

б – ложковый бур,

в – грунтонос обуривающий, (1 – корпус,

2 – разъемная гильза)

Комбинированное бурение

Поскольку даже при небольших глубинах скважин однородные разрезы мягких пород встречаются редко, а чаще чередуются с твердыми прослойками или пластами неустойчивых пород, то в таких случаях целесообразно в одной скважине чередовать медленновращательное и ударное бурение, т.е. применять комбинированное бурение.

Наиболее простым и доступным вариантом комбинированного бурения является ручное бурение. Еще в 50-е годы ручное бурение было преобладающим при выполнении инженерно-геологических изысканий, разведке россыпей и стройматериалов, поисково-съемочных работах. В настоящее время ручное бурение почти полностью заменено механическим, однако в отдельных случаях при поисково-съемочных работах, бурении одиночных инженерно-геологических скважин в неудобных для техники местах, для индивидуального водоснабжения ручное бурение еще применяется.

При ручном бурении в основном используется медленновращательный способ спиральными или ложковыми бурами. При встрече твердых пропластков или включений в скважину на бурильных трубах спускают долото и ударным способом разрушают твердое включение, затем желонкой также на бурильных трубах поднимают разрушенную породу. При встрече неустойчивых пропластков (плывучих, сыпучих песков) ручное бурение можно вести с одновременным закреплением скважины обсадными трубами также как при механическом ударно-канатном бурении.

В прошлом скважины ручного бурения достигали глубин 100-120м, при начальном диаметре до 250 мм. При этом использовались деревянные вышки-треноги и подсобные механизмы - ручные лебедки, воротки, балансиры. В настоящее время ручным способом проходятся скважины глубиной до 15 м, диаметром 35-60 мм (для водоснабжения до 150мм) и все технические средства сводятся только к комплекту инструмента. Так для поисково-съемочных работ может еще использоваться комплект «бур геолога» массой 16 кг, позволяющий бурить скважины глубиной до 10 м, диаметром 35мм. Механическое комбинированное бурение применяется значительно шире при разведке россыпных месторождений, бурении инженерно- и гидрогеологических скважин, мелкого водоснабжения, разведке стройматериалов. Технические средства для комбинированного бурения объединяют в себе механизмы ударного и вращательного действия, а также включают механизмы для принудительного погружения обсадных труб. Буровой инструмент также представлен комплектами для ударного и вращательного бурения. Бурение может вестись попеременно медленновращательным способом в мягких однородных породах и ударно-канатным способом при встрече твердых прослоев и включений и при встрече плывучих и сыпучих пород. Погружение обсадных труб при проходке неустойчивых пород может осуществляться одновременно с бурением желонкой, используя вращательный механизм. Обсадные трубы могут также забиваться с помощью ударного механизма или погружаться одновременным воздействием вращения и ударов. Буровые установки для механического комбинированного бурения выпускаются разными ведомствами, их представителями являются установки БУУ-2, УБР-2М, БУГ-100, БУГ-50 (табл. 8.7). Принципиальная схема характерной для этого вида бурения установки УБР-2М приведена на рис.8.16. Важной особенностью этой установки является наличие вращателя шпиндельного типа с гидравлической системой подачи способного вращать и погружать как буровой инструмент, так и обсадные трубы.

Таблица 8.7. Основные параметры установок комбинированного бурения

Параметры	УБР-2М	БУУ-2	БУГ-100
Глубина бурения, м.	30	50	100
Вращатель тип частота вращения, с-1	шпиндельный 0,2; 0,4; 1,26	роторный	шатунно-кривошипный 0,03; 0,06.
Механизм подачи: ход подачи, мм, Макс. крутящий момент, кНм	гидравлический 400 7,0	гидравлический 1000 4,6	свободный 20,0
Ударный механизм: тип частота ударов, мин высота сбрасывания	свободный сброс 51 600	шатунно-кривошипный 41; 62 500;700;1000	свободный сброс 30; 60
База	автомобиль ЗИЛ-131	трактор ДТ-75Б	подкатные тележки
Масса, кг	9800	13000	2900

8.4. Бурение методом внедрения инструмента

При проведении инженерно-геологических изысканий для изучения физико-механических свойств грунтов существуют методы, при которых буровая скважина и геологическая информация могут быть получены без удаления и извлечения на поверхность разрушенной породы. Для этой цели применяется специальный инструмент – конический зонд. При внедрении зонда в породу она не удаляется из скважины на поверхность, а раздвигается и уплотняется в стенки скважины.

В зависимости от характера погружения зонда в грунт можно выделить три разновидности бурения внедрением инструмента: статическое вдавливание (бурение задавливанием, статическая пенетрация, статическое зондирование), вдавливание с медленным вращением (винтобурение) и забивное погружение инструмента (динамическая пенетрация, динамическое зондирование).

Рис. 8.16. Схема буровой установки комбинированного бурения (УБР – 2М)

а-кинематическая схема установки,

б-схема ударного механизма свободного сброса

Динамическое зондирование

Динамическое зондирование в зависимости от условий передачи энергии удара на зонд подразделяется на ударное и ударно-вибрационное.

Сущность ударного метода заключается в погружении конического наконечника в грунт тарированными ударами (молотом) с измерением числа ударов и глубины погружения зонда.

Конический наконечник может соединяться с бурильными трубами с помощью резьбы или пальца (рис.8.17 а).

Динамическое зондирование осуществляется в песчано-глинистых грунтах с содержанием крупнообломочного материала не более 40% по массе и не может осуществляться в грунтах всех видов. В мерзлом состоянии этот метод применяется в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований с целью:

2. Установления геологического разреза пород;

а б

3. О пределения глубины залегания кровли скальных и крупнообломочных пород;

4. Исследования изменчивости состава и свойств грунтов по глубине и простиранию;

5. Определения приблизительной количественной оценки показателей физико-механических свойств грунтов (плотности сложения модуля деформации, угла внутреннего трения и др.).

Д

Рис. 8.17. Наконечники для бурения

задавливанием (а) и винтобурения (б)

ля ударного зондирования применяется три типа установок, характеристика которых приведена в (табл.8.8).

Таблица 8.8. Характеристика установок для ударного зондирования

№ п/п	Тип установок	Параметры
		Масса молота, кг	Высота падения, м	Энергия удара, Дж
1	Легкие	30	0,4	118
2	Средние	60	0,8	470
3	Тяжелые	120	1,0	1180

Чаще всего при ударном зондировании применяют конический зонд диаметром 74 мм, с углом при вершине равным 60°, и бурильные трубы диаметром 42 мм.

При динамическом ударном зондировании производят забивку зонда в грунт свободно падающем молотом сериями (залогами) определенного числа ударов.

После каждого залога измеряют глубину погружения зонда. Число ударов в залоге применяют равным от 1 до 20 в зависимости от состава и состояния грунтов, исходя из условия погружения зонда за залог на глубину 10-15 см.

Условное динамическое сопротивление грунтов P_g вычисляется по формуле

P_g = A∙k∙f∙n/h, Па (8.8)

где: A – удельная энергия зондирования, кН∙м; k – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о наковальню и на упругие деформации штанг; f – коэффициент учета потерь энергии на трение труб о грунт; n – число ударов в залоге; h – глубина погружения зонда за залог, м.

При полевых испытаниях грунтов ударным зондированием для обеспечения высокой производительности и качества работ надлежит применять легкие, средние и тяжелые установки в зависимости от условного динамического сопротивления грунтов.

Для ударного зондирования чаще применяются установки: УБП-15, БУЛИЗ-15, УГБ-50М, БУКС-ЛГТ, АВБ-2М и др.

Ударно-вибрационное зондирование является разновидностью динамического зондирования и применяется для тех же целей, что и ударное зондирование. Испытания грунтов ударно-вибрационным зондированием проводят с применением буровой установки АВБ-2М до глубины 20 м. при этом используется конический зонд диаметром 100 мм и бурильные трубы диаметром 63,5 мм. На установке применяется автоматическое устройство для регистрации скорости и глубины погружения зонда в грунт.

При ударно-вибрационном зондировании так же, как и при ударном зондировании определяется условное динамическое сопротивление грунтов P_g (Па), которое вычисляется по эмпирической формуле

P_g = K_в ∙ K_п / V , (8.9)

где: K_в – безразмерный коэффициент, учитывающий потери энергии при ударно-вибрационном зондировании (изменяется от 0,74 до 0,62 при изменении интервала зондирования от1 до 20 м); K_п – коэффициент, учитывающий параметры применяемого оборудования (для АВБ-2М K_п = 224∙10³ Н/(м∙с)); V – скорость ударно-вибрационного зондирования, м/с.

Статическое зондирование

Статическое зондирование осуществляется или самостоятельно, или в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований примерно для тех же целей, что и динамическое зондирование. Применяется этот метод только в рыхлых однородных породах, в которых содержание частиц крупнее 10 мм не более 25% по массе. Метод также не применим во всех видах грунтов в мерзлом состоянии.

Сущность метода заключается в плановом вдавливании (погружении) конического зонда в грунт под действием вертикальной нагрузки. Необходимая информация получается по зависимостям скорости погружения инструмента от прикладываемых усилий, а также от тензометрических и радиометрических датчиков, укрепленных на вдавливаемом конусе. При вдавливании зонда проводят измерение удельного сопротивления грунта под наконечником (конусом) g_з, мПа; сопротивление грунта на боковой поверхности зонда Q_з, кН; или удельное сопротивление грунта на боковой поверхности (муфте трения) зонда f_з, кПа.

Для испытания грунтов статическим задавливанием применяются установки, состоящие из следующих основных узлов: зонда (наконечника и штанги), устройства для вдавливания и извлечения зонда, опорно-анкерного и измерительного устройства.

В зависимости от конструкции наконечника зонды подразделяются на три типа (рис.8.18):

I тип - с наконечником из конуса и кожуха;

II тип - с наконечником из конуса и муфты трения;

III тип – с наконечником из конуса, муфты трения и расширителя.

Угол при вершине конуса зондов всех типов должен составлять 60°, диаметр зондов в зависимости от решаемой задачи может быть 36-80 мм.

Рис.8.18. Схема конструкций зондов

1 – конус, 2 – кожух, 3 – штанга, 4 – муфта трения,

5 – уширитель

СКБ "Геотехника" при методическом руководстве ВСЕГИНГЕО разработало пенетрационно–каротажную станцию СПК-Т, которая позволяет задавливать зонд на глубину до 30 м с усилием до 190 кН. Такое усилие создается весом установки и гидравлической системой подачи, реализовать усилие которой позволяют анкерные винты, завинчиваемые в грунт на глубину до 3 м.

В состав станции также входит комплекс измерительной и регистрирующей аппаратуры типа МАК, который состоит из измерительного зонда с различными первичными преобразователями, беспроводного электрического канала связи, приемного устройства и полевого вычислительного комплекса ПВК.

Зонды с различным сочетанием первичных преобразователей в процессе углубки скважины позволяют определить: лобовое сопротивление породы наконечнику зонда, трение по боковой поверхности зонда и температуру породы, а также проводить следующие виды каротажа: нейтрон - нейтронный (ННК), гамма – гамма (ГГК), гамма (ГК), электрокаротаж и пассивный акустический каротаж.

Полученная с измерительных зондов информация позволяет определить: деформационно–прогностные свойства пород, в том числе просадочность; состояние почво – грунтов (подтопление и переосушение); плотность пород; литологическое строение разреза; объемную влажность, пористость; кислотно-щелочные свойства; температуру и тепловые характеристики пород; зону аэрации; уровень грунтовых вод; фильтрационные свойства пород; особенности загрязнения подземных вод по площади и глубине и техногенные изменения свойств грунтов.

Если на конусном наконечнике установить винтовую лопасть в один виток (рис. 8.17 б) и одновременно с задавливанием медленно вращать инструмент, винт, врезаясь в породу, создает дополнительное тяговое усилие, что позволяет увеличить глубину внедрения до 40 м. Такой вариант получил название «винтобурение».

Другой путь увеличения глубины задавливания - снижение сил бокового трения путем подачи в скважину выше конического наконечника жидкости, которая снижает коэффициент трения и повышает устойчивость стенок скважины. Такое решение предложено в США и позволяет увеличить глубину пенетрации при усилии 100 кН с 15 до 100 метров.