8.5. Вибрационное бурение

Вибрационное бурение и его разновидности виброударное и виброудар-новращательное представляют собой варианты бурения внедрением, поскольку порода в процессе углубки не удаляется, а ее разрушение идет за счет раздвигания и уплотнения. Вибробурение осуществляется кольцевым забоем с отбором образцов породы, главным образом, в слабых, мягких однородных породах на глубину до 30 метров, с диаметром скважин 89-218 мм. Главные области применения вибробурения: инженерно-геологические изыскания, разведка стройматериалов, россыпных месторождений, поисково-съемочные работы.

Сущность вибрационного бурения и его разновидностей заключается в том, что инструмент кольцевого типа интенсивно погружается в породу под воздействием сравнительно небольшой статической силы - веса бурового снаряда с погружателем, или веса и ударных импульсов, или веса, ударных импульсов и медленного вращения, при одновременном наложении на инструмент высокочастотных колебаний (вибрации). Вибрация, передаваемая через породоразрушающий инструмент на грунт, изменяет состояние грунта, уменьшая его сопротивление. В песчаных грунтах песчинки получают колебательное движение, что резко снижает силы сцепления и трения между частицами, грунт в призабойной зоне псевдоразжижается и инструмент как бы тонет в нем. В глинистых грунтах под действием колебаний происходит отделение как поровой, так и физически связанной воды и порода в призабойной зоне действительно разжижается, кроме того, выделившаяся вода действует как смазка. Этим объясняется, что наиболее интенсивно погружение идет в увлажненных супесях и суглинках, меньше в пластичных глинах и плотных сухих песках, труднее всего в полускальных и обломочных грунтах (мел, слабый известняк, аргиллит, мерзлые породы).

Чисто вибрационное бурение применяется редко, в малых объемах, только при бурении в слабых однородных породах. Наиболее широко используется виброударное бурение, а при бурении в наиболее сложных разрезах с твердыми прослоями и включениями обломочного материала эффективно виброударновращателъное бурение.

Появлению вибробурения предшествовало широкое использование вибрации строителями для извлечения и погружения свай в мягкие грунты. Собственно вибробурение было предложено в 1949 году Д.Д.Барканом и В.Н.Тупиковым на основании опыта погружения и извлечения трубчатых свай, внутри которых оказывалась колонка грунта.

С хема вибробурения, представленная на рис.8.19 включает трубчатый виброзонд I, спускаемый в скважину на бурильных трубах 2,вибропогружатель 3,соединенный тросом с лебедкой 4 и мачту или стрелу 5.

Рис.8.19. Схема бурения вибробуровой установкой

1 – виброзонд,

2 – бурильные трубы,

3 – вибропогружатель.

Принцип работы вибропогружателей

Различные вибропогружатели (вибровозбудители) для бурения имеют общую схему устройства и принцип действия. По методу соединения с буровым снарядом разделяются на вибраторы, когда он жестко соединен со снарядом (рис. 8.20 а) и вибромолоты (рис. 8.20 б) при свободном соединении со снарядом. Вибромолоты, имеющие связь со снарядом через пружинную подвеску, сейчас практически не применяются, вибромолоты, свободно поставленные на снаряд, получили название беспружинный вибромолот.

Буровой вибропогружатель представляет собой механический центробежный двухвальный вибровозбудителъ (рис.8.21). В результате синфазного, равномерного, в противоположные стороны вращения эксцентричных масс (эксцентриков, дебалансов) возникают центробежные силы, суммарная вертикальных составляющих которых, изменяется по

синусоидальному закону, вызывая направленные продольные колебания системы. Величина этой силы определяется выражением

F = m₀∙ε∙ω²∙sin( ωt+φ₀ ) (8.10)

где m₀ - суммарная масса дебалансов, ε - эксцентриситет центров тяжести дебалансов, ω - частота вращения дебалансов, φ₀ - начальный фазовый угол.

а б

Рис. 8.20. Варианты связи вибропогружателя с буровым снарядом

а – вибратор, б – вибромолот

Рис.8.21. Схема работы вибропогружателя

а – динамическая схема,

б – график колебаний величины вынуждающей силы

Максимальное по модулю значение этой силы называется вынуждающим усилием и равно

F_max = m₀∙ε∙ω² (8.11)

При жестком закреплении вибропогружателя к снаряду (вибробурение) предельное значение амплитуды вынужденных колебаний системы приблизительно равно

A_пред = m₀∙ε/∑m, (8.12)

где ∑m - масса всех колеблющихся элементов, включая буровой снаряд.

При работе погружателя в системе вибромолота (свободное закрепление на снаряде), величина вынуждающей силы значительно превышает вес погружателя и, когда сила направлена вверх, погружатель отрывается от бурового снаряда, а затем, когда центробежные силы меняют направление, падает на верхний конец снаряда (наковальню), нанося удар. При бурении вибромолотом на грунт через буровой инструмент действуют сила тяжести инструмента, вибрация, связанная с колебаниями нагрузки на снаряд, и сила ударов вибромолота по снаряду. Энергия ударов не только позволяет интенсифицировать процесс уплотнения и раздвигания породы, как при вибробурении, но дополнительно разрушает, раскалывает твердые прослойки и включения, что существенно расширяет область вибробурения и повышает его производительность.

В отличие от вибратора, где колебания вынуждающего усилия синхронны частоте вращения дебалансов, частота ударов вибромолота, как правило, не совпадает с частотой вращения дебалансов. Это явление связано с тем, что на скорость движения ударной массы влияет ряд переменных факторов, находящихся в разных сочетаниях и фазах. Общая .скорость ударной массы в промежутках между двумя ударами определяется выражением

V = V_у∙R-A∙ω∙sinφ_у+A∙ω∙sin(φ_у - φ)-(gφ/ω) (8.13)

где V_у - скорость в момент удара; R - коэффициент восстановления; (V_у∙R) - это составляющая скорости движения массы за счет отскока после удара; A - высота падения (амплитуда) массы; ω - частота вращения дебалансов; φ_у и φ - фаза (угол) дебалансов в момент удара и любой момент времени соответственно; A∙ω∙sinφ_у - скорость колебательного движения в момент удара; A∙ω∙sin(φ_у-φ) – скорость колебательного движения в любой момент време (ни; gφ/ω) - скорость свободного падения.

Поскольку при разных значениях φ, sinφ может быть положительным или отрицательным, то переменными будут знаки у второго и третьего членов суммы, определяющей скорость. Следовательно, возможно различное значение скорости в момент удара, различный отскок и различная амплитуда отскока. Учитывая, что энергия единичного удара

W=m∙V²_у/2, (8.14)

то при разных скоростях удара будут разными и силы ударов. При определенном сочетании составляющих скорости могут происходить большие отскоки и удары, энергия которых в 2-3 раза превышает среднее значение.

За счет отскока ударная масса приобретает дополнительную скорость движения вверх, и движение вверх становится продолжительнее, чем это происходило бы только под действием вынуждающего усилия, в результате чего дебалансы успеют совершить больше половины оборота, а за все время между ударами, больше одного оборота. Выражение i=n_об/n_у означает число полных и неполных оборотов, совершенных дебалансами за период между двумя ударами. В практике виброударного бурения число i обычно бывает от 1 до 8, чаще от 1 до 4. С увеличением i увеличивается энергия единичного удара и соответственно погружающая способность. Процесс изменения частоты ударов может саморегулироваться с увеличением сопротивления грунта увеличивается величина коэффициента отскока, следовательно, возрастает скорость отскока и соответственно энергия единичного удара и значение числа i, т.е. снижается частота ударов при неизменной частоте вращения дебалансов. Это явление весьма благоприятно, т.к. позволяет существенно увеличить глубину и расширить диапазон пород для виброударного бурения.

Технические средства вибробурения.

Буровой инструмент при вибробурении состоит из трубчатого бура, который в вибробурении называется виброзонд, и бурильных труб, соединяемых в колонну резьбовыми соединениями.

Виброзонд представляет собой трубу длиной 1-3 иногда до 5 метров имеющую на нижнем конце рабочее кольцо (башмак), а при виброударновращательном бурении специальную коронку, и на верхнем конце переходник для присоединения к бурильным трубам. Вдоль тела зонда выполняются одна или две прорези.

Рабочее кольцо виброзонда (рис.8.22) имеет толщину стенки несколько больше чем у трубы зонда. Это делается для уменьшения сил трения, по наружной и внутренней поверхностям зонда, о породу при его внедрении. Однако, слишком большое превышение толщины кольца приводит к увеличению лобового сопротивления, поэтому необходимо выдерживать оптимальное соотношение толщины стенок кольца и трубы зонда. Угол скоса кольца в зависимости от пород и выбирается от 15° до 60°. Для бурения в неустойчивых породах лучше делать внутренний скос, что приводит к уплотнению, породы внутри зонда и способствует удержанию ее при подъеме инструмента. В связных и плотных породах, наоборот, нужно использовать кольца с наружным скосом, поскольку в этом случае уплотнение породы внутри зонда приведет к образованию пробки и снижению углубки за рейс. Для упрочнения режущей кромки рабочего кольца ее закаливают или наплавляют твердым сплавом. Для вращательного варианта вибробурения для комбинированного разрушения породы вместо гладкого кольца на виброзонд (колонковую трубу) навинчивается специальная коронка, имеющая и скосы для вибропогружения и резцы для вращательного резания и рыхления породы (рис. 8.22) С учетом разнообразия буримых пород виброкоронки могут изготавливаться с различным количеством и выступами резцов.

а б в

Рис. 8.22. Виброзонды

а – для рыхлых пород,

б – для плотных пород,

в – коронка для вибровращательного бурения

Сам виброзонд для бурения связных устойчивых пород имеет обычно одну прорезь с углом выреза 140°-160°. Большой вырез облегчает извлечение породы из зонда. В слабых неустойчивых грунтах угол выреза зонда меньше - 90°-110°или применяется зонд с двумя узкими вырезами с разных сторон. При использовании длинных зондов для сохранения их устойчивости делают два выреза по длине, разделенных перемычкой. Для бурения в слабосвязных, сыпучих, плывучих грунтах применяют виброзонды с двустворчатым или тарельчатым (виброжелонка) клапанами. Для облегчения извлечения породы из зонда применяют разъемные или поршневые виброзонды.

В качестве бурильных труб при вибробурении применяются трубы геологоразведочного сортамента диаметрами 50 и 63,5 мм муфтово-замкового соединения, а также трубы диаметром 60,3 мм с приварными замками. Свинчивание и развинчивание бурильных труб при вибробурении обычно производится не ключами, как при вращательном бурении, а с помощью штырей, для чего на каждом конце трубы имеются поперечные отверстия. Один штырь служит для опоры (как подкладная вилка), другой для навинчивания или отвинчивания верхней трубы.

Для вибробурения основной частью оборудования является вибропогружатель, который может использоваться как с подручными средствами (например, автокран, любая буровая установка с мачтой и лебедкой), так и в составе специальных вибробуровых или комбинированных установок.

В ообще вибропогружатели делятся на две большие группы: вибропогружатели для бурения и вибропогружатели для работы с обсадными трубами. Имеется большое разнообразие тех и других (около 20),вызванное не столько технической целесообразностью, сколько ведомственной разобщенностью организаций, использующих и производящих вибропогружатели. В настоящее время для всех вариантов вибробурения широко применяется и вполне может заменить все другие беспружинный вибромолот ВБ-7 и его модификация ВБ-7М (рис. 8.23). Эта конструкция отличается наибольшей простотой, надежностью, универсальностью (табл. 8.9.).

Рис. 8.23. Вибромолот ВБ-7М

Таблица 8.9. Характеристика вибромолотов

Параметры	ВБ - 7	ВБ - 7М
Мощность двигателя, кВт	7	9,4
Статический момент массы дебалансов, Нм	20	24
Угловая скорость вращения дебалансов, с-1	131	141.3
Максимальная вынуждающая сила, кН	35	60
Максимальный ход ударной части, м	0,135	0,15
Масса, кг	340	600

При значительных объемах вибробурения целесообразно использовать специальные вибробуровые установки, для эпизодического применения вибробурения могут использоваться комбинированные буровые установки, в которых вибробурение является одним из нескольких видов бурения. Из специальных вибробуровых установок наибольшее распространение имеет установка АВБ-2М (агрегат вибрационного бурения), реже встречается более тяжелая установка АВБ-3, последняя может оборудоваться для виброударновращательного бурения, в системе Мосгоргеотреста применяются наряду с указанными установки ВБУ. Из комбинированных установок для вибробурения наиболее часто применяется установка БУЛИЗ-15 (буровая установка линейных изысканий).

Вибробуровые установки, как правило, выполняются самоходными на базе автомашин (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131). Кроме автомашин в состав установки входят: мачта,обычно однотрубчатая, электрогенератор с приводом от двигателя автомашины или от дополнительного дизельного двигателя (АВБ-3), лебедки, механизма подъема мачты (табл. 8.10). В установке АВБ-3 может дополнительно устанавливаться роторный вращатель и цепной механизм подачи для вибровращательного бурения. Устройство вибробуровой установки и некоторых ее узлов приведены на рис.8.19.

Таблица 8.10. Основные показатели буровых установок для вибробурения

Параметры	АВБ-2М	АВБ-3	ВБУ	БУЛИЗ-15
Глубина виброударного бурения, м	20	20	40	15
Глубина вибровращательного бурения, м	-	40	-	-
Тип вибропогружателя	ВБ-7,ВБ-7М	ВБ-7М	ВБ-7М	с приводом от гибкого вала
База	ГАЗ-66	ЗИЛ-131	ГАЗ-66 ЗИЛ-131	УАЗ-469
Масса, кг.	6300	9900	-	2030

Технология вибробурения

Технология вибробурения при относительной простоте, тем не менее, включает значительное число факторов, определяющих эффективность проходки скважин. К таким факторам относятся: выбор разновидности бурения (вибрационное, виброударное, виброударновращательное), выбор способа проходки скважины (с открытым стволом или с одновременным креплением скважины обсадными трубами), конструкция скважины, выбор вибропогружателя и его параметров, режим бурения, выбор величины углубки за рейс в конкретных условиях.

Выбор разновидности вибробурения производится в зависимости от вибробуримости грунтов данного разреза. Наилучшей вибробуримостью обладают сильноувлажненные супеси и суглинки. Плохо поддаются вибробурению тугопластичные глины и плотные сухие пески. Особенно сложно вибробурение в обломочных насыпных грунтах и при наличии твердых прослоек. Чисто вибрационное (безударное) бурение применяется редко, только в наиболее благоприятных условиях - однородные увлажненные супеси, суглинки. Виброударное бурение является основным преобладающим видом вибробурения и может эффективно применяться при бурении в большинстве пород I - IV категорию по буримости. Виброударновращательное бурение может успешно применяться в разрезах с крупнообломочными грунтами и при наличии твердых прослоек.

При бурении в устойчивых породах устье скважины оборудуют направляющей трубой на глубину 2-3 м и далее бурение ведется без крепления скважины трубами. В разрезах, представленных сильнообводненными, сыпучими и другими неустойчивыми породами бурение ведется с закреплением неустойчивых интервалов обсадными трубами сразу после их проходки, а в особо сложных условиях, особенно при разведке россыпных месторождений, с одновременным или опережающим закреплением скважины обсадными трубами, при этом погружение труб осуществляется также виброметодом.

Конструкции скважин вибробурения, их ступенчатость, кроме необходимости закрепления неустойчивых интервалов обсадными трубами, определяется также условиями эффективного погружения зонда. Конечный диаметр скважины зависит от необходимых размеров образца породы (керна), но обычно не менее 89 мм, часто 108 мм. Далее снизу вверх скважина может иметь ступенчатую конструкцию с переходом на большие диаметры. Теория и практика показывают, что при небольшой глубине скважины эффективнее (выше скорость бурения) применять зонды максимального размера диаметром 168 или 219 мм, а с увеличением глубины скважины наибольшая скорость получается при последовательном уменьшении диаметра зондов. Эта закономерность объясняется тем, что таким путем поддерживается рациональный вес бурового инструмента по мере добавления бурильных труб. Из этих соображений рациональная конструкция скважин вибробурения при глубине более 10 м рекомендуется ступенчатой.

Выбор вибропогружателя и параметров режима бурения взаимосвязаны. При вибро и виброударном бурении главными параметрами режима являются: осевая нагрузка, определяемая весом бурового инструмента и вибропогружателя, вынуждающее усилие, частота колебаний и частота ударов, максимальная амплитуда колебаний и возможный ход ударной части. В настоящее время для вибро и виброударного бурения в большинстве случаев используются вибромолоты ВБ-7 и ВБ-7М, так что выбор вибропогружателя и параметров режима бурения сводится к выбору из этих двух механизмов (см. табл.8.9). Единственный параметр режима бурения, который поддается регулировке в небольших пределах - частота вращения дебалансов. При электроприводе ее можно изменять в пределах ±5% за счет изменения частоты вращения приводного двигателя и соответственно напряжения на генераторе. Выбор этого параметра зависит от плотности грунтов - для слабых грунтов лучше увеличивать частоту вращения дебалансов, для плотных снижать. Регулировка частоты вращения дебалансов используется для влияния на отношение частоты вращения к частоте ударов (i=n_об/n_у) с целью поддержания устойчивого i в пределах 1 - 4, причем с увеличением глубины скважины и плотности пород желательно увеличивать i, чтобы получить большую силу удара. Большие перспективы в эффективном управлении этими параметрами режима (частота вращения, частота ударов) связаны с использованием для привода вибропогружателя гидродвигателя.

Для вибробурения, как и для ряда других видов бурения, характерно снижение скорости углубки по мере внедрений зонда в породу, что связано с нарастанием сил трения и уплотнением грунта внутри зонда. В начале рейса углубка идет быстро, затем механическая скорость бурения заметно снижается. Следовательно, существует момент, когда становится целесообразно прекратить бурение и поднять снаряд на поверхность, извлечь образец породы и вновь спустить снаряд в скважину и вести бурение с высокой скоростью. При бурении с затухающей механической скоростью существует оптимальная углубка за рейс, соответствующая максимальной рейсовой скорости и, следовательно, производительности бурения. Напомним, что

V_p=h_p/(t_б+t_всп)=V_м/(1+t_всп/t_б), (8.15)

где h_p - углубка за рейс,м.; t_б - время чистого бурения; t_всп - время на вспомогательные операции.

Отрицательной характерной особенностью вибробурения является резкое снижение механической и рейсовой скоростей бурения с увеличением глубины скважины (рис.8.24). Оптимальная величина углубки за рейс зависит от свойств буримых пород и от глубины скважины. При небольшой глубине и в легких породах углубка за рейс может составлять 3 -5 метров, с увеличением глубины и плотности пород рациональная углубка за рейс снижается до 0,6-0,2 метра (табл. 8.11.).

Рис. 8.24. Зависимость механической скорости вибробурения

от текущей углубки (а), от глубины скважины (б), и зависимость рейсовой

скорости вибробурения от глубины скважины (в)

Таблица 8.11. Примерные показатели виброударного бурения

Показатели	Интервал глубин, м	Буримостъ пород (категория по буримости)
		I	II	III	IV
1	2	3	4	5	6
Механическая скорость бурения, м/ч	0-4 4-10 10-20 4-10 10 - 20	180 60 36	90 42 24	60 30 12	30 18 6
Оптимальная углубка за рейс, м	0-4 4-10 10-20	5,0 2,5 2,0	2,5 1,5 1,0	1,5 1,0 0,6	0,8 0,4 0,2
Рейсовая скорость бурения, м/ч	0-4 4-10 10-20	20 10 3	15 7 2	12 4 1	8 1,5 0,5

Учитывая, что с увеличением углубки за рейс происходит значительное уплотнение грунта внутри зонда, т.е. искажаются механические свойства, в отдельных случаях при высоких требованиях к качеству образцов углубку за рейс снижают меньше оптимальной.

При вибробурении значительную трудоемкость представляет процесс извлечения породы из зонда. Обычно извлечение породы из зонда выполняют вручную ломом или специальными лопатками. Невязкие грунты эффективно извлекать, передавая вибрацию на подвешенный и присоединенный к вибратору зонд, т.е. как бы вытряхивать грунт. Одним из путей облегчения и ускорения извлечения породы из зонда является применение разъемных виброзондов и поршневых виброзондов. В первом случае наполненный грунтом зонд поднимается на поверхность, отвинчивается башмак, зонд разнимается на две продольные части и из него без труда извлекается ненарушенный образец породы. Во втором случае в верхней части внутри зонда закреплен поршень с поперечным отверстием, совпадающим с двумя продольными прорезями в теле зонда. После подъема зонда с грунтом на поверхность в отверстие поршня вставляется стержень, закрепленный к раме станка, и зонд лебедкой станка тянется вверх. Поршень, удерживаемый стержнем, выдавливает образец грунта из зонда.

Виброударновращательное бурение

При встрече твердых прослоек, крупнообломочных, мерзлых грунтов, а также с увеличением глубины скважины в плотных породах виброударное бурение становится весьма затруднительным или совсем невозможным. Однако область вибробурения может быть значительно расширена, как по породам, так и по глубинам, если совместить виброударное воздействие с медленным вращением инструмента. При виброударновращательном бурении за счет вращения происходит резанье и разрыхление грунта, а за счет виброударных импульсов идет интенсивное внедрение инструмента в этот разрыхленный слой грунта. Твердые включения при этом разрушаются резцами или оттесняются ими в сторону.

Для осуществления вибровращательного бурения в состав буровой установки добавляется роторный вращатель и специальная трехгранная ведущая труба. Для вращения, поскольку оно осуществляется без промывки, требуется большой крутящий момент, достигающий 7000 Нм для снижения силы трения ведущей трубы в роторе, вращение от ротора на ведущую трубу передается через роликовые элементы качения, что позволяет обходиться без механизма принудительной подачи.

Для комбинированного разрушения породы вместо гладкого рабочего кольца (башмака) на виброзонд навинчивается специальная коронка, имеющая и скосы для виброударного внедрения, и твердосплавные резцы для резанья и рыхления породы (рис.8.22). С учетом разнообразия буримых пород изготавливаются специальные коронки с различным количеством и выступом резцов.

Сочетание вращения с виброударным воздействием не только расширяет область применения вибробурения, но и увеличивает скорость и производительность бурения в 3-4 раза по сравнению, как с вибробурением, так и с медленновращательным бурением.