Глава 28

СООРУЖЕНИЕ НЕГЛУБОКИХ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ И КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

§ 1. Сооружение скважин с применением вибрационного способа бурения

Сущность этого способа бурения заключается в том, что буровой инструмент погружается в мягкий грунт под действием вибраций — высокочастотных импульсных нагрузок-ударов, создаваемых механическим источником колебаний — вибратором. Вибратор может находиться на поверхности или в скважине (у забоя). Идея применения вибраций для погружения свай и бурения скважин предложена Д. Д. Барканом в 1934 г. Этот способ, широко применяемый при бурении инженерно-геологических скважин, характеризуется простотой и высокой эффективностью. Глубина скважин достигает 20—25 м при диаметре 63—406 мм, скорость погружения бурового снаряда в песчаных грунтах достигает 5—6 м/мин, а в среднем составляет 1,5—2,5 м/мин. Производительность в 5—9 раз выше ручного способа бурения. При вибрационном погружении колонкового снаряда диаметром 150 мм можно получать керн длиной до 2 м. Причем керн имеет хорошую сохранность.

На практике реализуется две схемы вибрационного способа бурения скважин: вибрационно-ударный (забивной) и вибрационно-вращательный. Общий вид установки вибрационно-ударного способа бурения представлен на рис. 28.1, а. На колонне бурильных труб устанавливается источник вибраций — обычно механический вибратор (рис. 28.1, в). К бурильной трубе присоединяется буровой снаряд —зонд. При работе вибратора создаются динамические нагрузки Р_д, под действием которых преодолевается сопротивление рыхлых пород и снаряд быстро погружается. Если снаряд представляет собой трубу, то при этом внутрь трубы поступает столбик породы — керн, который при подъеме снаряда удерживается в трубе силой трения или с помощью специальных приспособлений.

При погружении бурового снаряда грунт оказывает боковое и лобовое сопротивление. Боковое сопротивление возникает за счет сил трения и сил сцепления грунта с поверхностью погружаемого предмета. Лобовое сопротивление —сопротивление грунта, выдавливаемого в стороны из-под торца ПРИ. Успех погружения зависит от прочности грунта (силы внутреннего трения и сцепления частиц), глубины погружения и площади торца (поперечного сечения) ПРИ.

При вертикальном вибрировании боковое сопротивление уменьшается в десятки раз. При этом частицы грунта приходят в колебательное движение, за счет чего уменьшается величина сил внутреннего трения песчаных грунтов пропорционально частоте колебаний, а в сильно увлажненных рыхлых образованиях проявляются тиксотропные свойства, грунт разжижается и снаряд легко погружается в пласт. Это явление леаниризации грунта.

Вибрационно-вращательный способ бурения отличается тем, что одновременно с вибрацией и вращением бурового снаряда действует еще осевая нагрузка. При такой схеме вибрационное бурение возможно осуществлять и в более плотных, твердых породах. Источник вибраций может размещаться как на поверхности, так и в призабойной части скважины. В качестве поверхностного источника вибраций обычно используют механический двублочный вибратор направленного действия, присоединяемый к бурильным

Рис. 28.1. Схема буровой установки для вибрационного бурения скважнн:

а — общнП вид; б — ударный узел; в — вибратор; I — электромотор; 2 — корпус вибратора; J —привод; •* —дебаланс; 5 — присоединительный элемент; 6 — боек; 7 — пру- жнна; <5 — наковальня; 9 — бурильная труба; 10 — буровой снаряд

трубам с помощью ниппеля (рис. 28.1, в). При вращении эксцентричных грузов с помощью двигателя и клиноременной передачи создается возмущающая сила F, направление действия которой меняется, а при вращении двух эксцентриков силы F либо уравновешиваются, либо складываются, когда направления их действия совпадают Р_д = 2F. Таким образом, вибратор создает знакопеременные динамические нагрузки, действующие вдоль оси бурового снаряда. При действии силы Р_л вверх снаряд приподнимается, а при действии вниз — погружается в грунт.

Центробежная (возмущающая) сила F, создаваемая дебалансами, имеет величину, определяемую выражением

F = теш², (28.1)

где т — масса дебалансов (эксцентриков), кг; с—величина смещения центра тяжести дебалансов относительно оси его вращения (эксцентриситет), м; w — угловая скорость дебалансов, с^-1.

Вращение дебалансов обычно осуществляется с частотой 1100—1800 об/мин. При определенной массе дебалансов величина возмущающей силы может колебаться в широких пределах: от 20 до 300 кН. Амплитуда колебаний снаряда определяется выражением

А = <ртс/т_е, (28.2)

где <р — коэффициент снижения амплитуды колебаний за счет демпфирующих сопротивлений (<р = 0,7 + 0,9); т — масса дебалансов, кг; е — эксцентриситет, см; т_в —масса всех вибрируемых элементов вибратора и бурового снаряда, кг.

С увеличением глубины скважины масса бурового снаряда увеличивается, за счет чего уменьшается амплитуда колебаний, что приводит к затуханию скорости его погружения (бурения). Эгим практически и определяется максимальная глубина скважин (25—30 м). Бурение более глубоких скважин можно осуществлять, используя погружные вибраторы.

Вибромолот отличается от вибратора тем, что не связан жестко с буровым снарядом (см. рис. 28.1, б). Корпус вибромолота установлен на пружинах, которые при движении эксцентриков вниз сжимаются и масса вибратора получает некоторое ускорение, за счет чего формируются удары большой величины при небольшой массе дебалансов. Удары наносятся бойком по наковальне.

В качестве бурового забойного инструмента применяют тонкостенные трубы — зонды, оснащаемые башмаком режущего действия. В зависимости от характера проходимых пород конструкция зондов может быть различной, но во всех случаях она должна обеспечить: извлечение образца на поверхность при бурении по рыхлым и вязким породам; сохранность строения грунта; возможность определения глубины залегания слоя и его мощности; быстрое погружение в грунт зонда.

Наиболее пригодными являются зонды из тонкостенных труб с внутренним диаметром не менее 60 мм (рис. 28.2). Обычно применяют трубы диаметром 150—100 мм. Следует учитывать, что при погружении зонда в пристенном слое толщиной д = 10—20 мм происходит искажение структуры грунта за счет сил трения породы о внутренние стенки трубы. Отсюда минимальный диаметр трубы, обеспечивающей получение керна с ненарушенной структурой, d_B = (3 * 4)<5.

Для лучшего погружения и уменьшения лобового сопротивления нижний конец зонда оборудуют специальным башмаком с острым торцом, имеющим диаметр на 2—4 мм больший, чем у трубы, и небольшую высоту (до 30 мм). Угол заточки режущей части башмака 15—60°. При бурении в валунно-галечниковых отложениях применяют башмаки с зубьями.

Рис. 28.2. Буровые сна- а ряды для вибрационного бурения:

а—виброзонд; б— грунтонос; в — виброжелонка; / — башмак; 2 — корпус (труба); J — разъемная керноприемная гильза; 4 — клапан; S — переходник

Для уменьшения бокового сопротивления, в зависимости от характера грунтов, вдоль образующей трубы делаются вырезы — щели или сверлятся отверстия. Величина вырезаемого сектора а = 100—160° (для связных пород шире, для несвязных —уже). Для вязких глинистых грунтов щели делают с двух сторон — одна сплошная, другая с перемычками. Для песчаных грунтов делается одна сплошная щель. Для сыпучих и оплывающих грунтов зонды делают без щелей или с закрывающейся щелью, а также разъемные и с клапанным устройством в башмаке — виброжелонки. В верхней части грунтоноса устанавливают клапан для выхода жидкости или воздуха при заполнении трубы породой. Длина зондов от 0,5 до 2,5—3,0 м. Присоединение зондов к бурильным трубам осуществляют с помощью переходников. При бурении скважин на глубину до 20 м обычно применяют бурильные трубы диаметром 42 и 50 мм для колонкового или ручного бурения. Для работы с трубами используют обычный вспомогательный инструмент — ключи, вилки, элеваторы и др. Для крепления стенок

скважин служат обсадные трубы диаметром 108, 127, 146 мм с ниппельным соединением и 168 мм с муфтовым соединением.

Вибробурснис скважин может осуществляться по двум технологическим схемам: одним рейсом на всю глубину скважины (однорейсовая схема) и несколькими рейсами по интервалам (многорейсовая). В первом случае в грунт погружают зонд, длина которого соответствует глубине скважины, в соответствии с высотой буровой вышки, или трубы наращивают до момента достижения заданной глубины, после чего вся колонна извлекается. Все секции колонны имеют такую конструкцию, как и зонд (с вырезами). Диаметр труб при этом может быть 76—152 мм. Из поднимаемых труб отбирают образцы пород.

Во втором случае осуществляется бурение по интервалам с применением одного зонда, спускаемого на бурильных трубах. После углубки на некоторую величину (0,3—0,5 м) снаряд поднимают. Из зонда извлекают поднятый грунт. Затем процесс повторяют.

При бурении в неустойчивых породах прибегают к обсадке скважины, погружая трубы с помощью вибратора. Бурение ведут через трубы с опережением башмака обсадной колонны на 0,3 — 0,5 м и более, в зависимости от степени устойчивости пород.

В слабых и средних грунтах рекомендуется вести бурение по первой технологической схеме (до 10—15 м). При этом исключается необходимость обсадки и затраты времени на спускоподъемные операции. В плотных грунтах и при значительной глубине скважин (более 15 м) рекомендуется второй способ —многорейсовый.

К параметрам вибрационного способа бурения относятся: величина возмущающей силы вибратора Р, Н\ осевая нагрузка G₀, Я; частота вибраций или частота вращения эксцентриков п, об/мин; амплитуда вибраций А, мм; продолжительность вибраций мин; величина углубки за рейс Л, м.

Возмущающая сила влияет в большой степени на эффективность погружения. С увеличением ее численного значения скорость погружения зонда существенно повышается. Причем с увеличением момента эксцентриков потребляемая мощность увеличивается значительно меньше, чем при увеличении частоты вращения.

Для эффективного погружения труб обычно рекомендуется момент эксцентриков в пределах 1000—1800 Н-см и соответственно возмущающая сила Р_д = 1000+ 8000 даН.

У существующих конструкций вибраторов, применяемых при бурении, момент эксцентриков колеблется в пределах 500— 1500 Н-см, а у вибромолотов — в пределах 150—1500 Н-см при Р_д = 1000 + 4000 даН.

Осевая нагрузка, создаваемая действием вибрируемой массы ш„, должна быть увязана с Р_шм отношением: пг_ъ/Р_тт = 0,4.

Чем выше частота вибраций, тем больше скорость погружения и величина углубки. Но с увеличением частоты вращения эксцентриков сильно растет потребляемая мощность. Поэтому для современных вибраторов рекомендуется частота вращения не менее 1200 и не более 2500—3000 об/мин. Для вибромолотов — 1500— 1800 об/мин.

Величина амплитуды колебаний А зависит от характера пород. Установлено, что при бурении в плотных грунтах она должна быть не менее 3,5 мм, а при бурении в средних и слабых — порядка 2 мм.

Продолжительность вибраций t_B влияет как на величину погружения зонда, так и на сохранность образцов грунта. Зависит она от свойств пород. Обычно рекомендуется при бурении в рыхлых песчаных грунтах t_b = 2 мин; в глинистых грунтах —/_в = 3-5- 4 мин.

Величина углубки за рейс влияет на сохранность керна и на производительность труда. Обычно допускается углубка за рейс до 2 м (при 100% выхода керна), но может быть и до 10—15 м. Первые 2—4 м рекомендуется проходить рейсами не более 1 м из-за сильной усадки грунта. Погружение обычно прекращается, если скорость углубки уменьшается до 10 см за 20 с.

К недостаткам вибробурения можно отнести невозможность бурения скважин в твердых породах и небольшую глубину скважин при использовании поверхностных вибраторов. Первый недостаток устраняется применением вибрационно-вращательного способа бурения, а второй — применением забойных вибраторов.

Для осуществления вибрационно-ударного бурения используют специальные буровые агрегаты с вибраторами различных типов (БТ-6, БТ-9, В-109) или вибромолотами двух типов — пружинными (подрессоренные) типа ВПМ-1, ВПМ-2, С-402А, С-833, С-835, ВБЛ-ЗМ и беспружинными (ВБ-7, ВГ-6, ВГ-8). Используют также вибромашины, имеющие в корпусе проходное отверстие, которое позволяет одевать вибратор на обсадные трубы, выступающие из устья скважины, при их посадке.

В качестве генератора высокочастотных импульсных нагрузок в ряде случаев используют гидро- и пневмоударники, применяемые при колонковом бурении скважин.

Используемые для вибрационного бурения установки могут быть специализированными или комбинированного типа: переносные, передвижные и самоходные. Первые два типа монтируют, как правило, на одноосном колесном прицепе, а самоходные — на автомашинах или тракторах высокой проходимости.

Специализированная самоходная буровая установка для вибрационного бурения ЛВБ-2М, смонтированная на автомашине ГАЗ-66, имеет мачту высотой 7 м, лебедку, генератор мощностью 25 кВт и вибромолот ВБ-7 с возмущающей силой 35 кН. Мачта с помощью винтового подъемника приводится в рабочее и транспортное положение. Для привода вибратора служит электродвигатель мощностью 7 кВт.

Установку используют для вибрационного бурения скважин на глубину до 15—20 м в породах I —IV категории по буримости и ударного бурения на глубину до 40 м в породах до VIII категории по буримости. Диаметры скважин при вибрационном бурении 168, 127, 108 мм, а при ударно-канатном 210—89 мм. В качестве буровых снарядов используют виброзонды, виброжелонки и грунтоносы, спускаемые на бурильных трубах диаметром 63,5 мм длиной 1 и 2 м. Для вибрационного бурения успешно используется установка комбинированного типа ЛВБ-3, смонтированная на автомашине, и др.