книги из ГПНТБ / Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин

121

Выше был рассмотрен породоразрушающий инструмент, при­ меняемый при впбробурении. В некоторых буровых установках вибропогружатели используются только для погружения обсад­ ных труб, а бурение производится ударно-канатным способом. В этом случае используются либо обычные наконечники для.

L-

Рис. 44. Виброзонд с зубчатым башмаком.

ударно-канатного бурения, либо специальный буровой инстру­ мент (например аналогичный применяемому на установке БУВ-1Б),

В качестве бурильных труб при впбробурении применяют трубы по ГОСТ 7909—56 с замками по ГОСТ 7918—64 днамет-

Рис 45. Пнкобуры для пробивки насыпного грун­ та при впбробурении.

ром 50 и 63,5 мм. Иногда применяют специальные бурильные’ трубы диаметром 73 и 64 мм, изготовляемые из колонковых труб' по ГОСТ 6238—52. При использовании поверхностных вибропогружателей для бурения скважин глубиной более 25 м бурильные трубы необходимо усиливать наваркой продольных стержней из профильного проката с целью увеличения момента сопротивления поперечного сечения труб.

Для бурения неглубоких скважин переносными вибробура­ ми используются штанги круглые и шестигранные диаметром 20—25 мм и длиной 1500 и 2500 мм.

122

При вибробурении скважины нередко крепятся обсадными трубами, в качестве которых используются трубы (ГОСТ •6238—52) диаметром 108, 127, 146 и 168 мм.

В комплект инструмента для вибробурения входят также различные переходники, приспособления для производства спус­ ко-подъемных операций, принадлежности к бурильным и обсад­

Процесс погружения породоразрушающего инструмента в грунт при вибробурении осуществляется со значительной ско­ ростью. Время, затрачиваемое на чистое бурение, составляет не более 25—30%. Остальное время расходуется на спуско-подъ­ емные, монтажно-демонтажные и подсобно-вспомогательные операции. Поэтому повышение эффективности вибробурения во многом зависит не столько от погружающей способности вибромашин, сколько от эффективности и скорости производ­ ства отмеченных операций. Сокращение затрат времени на эти операции отчасти может быть достигнуто путем применения различных приспособлений и устройств, облегчающих труд бу­ ровой бригады и сводящих к минимуму непроизводительные простои.

При вибробурении процесс свинчивания и развинчивания бу­ рильных труб в большинстве случаев производится не клю­ чами, а штырями. Для этого каждое замковое соединение имеет два сверления. Спуск и подъем снаряда производится с ис­ пользованием двух штырей. Один из них служит в качестве подкладной вилки и предохраняет снаряд от падения в сква­ жину, а другим производится свинчивдние или развинчивание замкового соединения. В отдельных случаях нижний штырь в замке используется как крестовина, с помощью которой по­ средством канатной петли производится подъем снаряда. На каждой вибробуровой установке должен быть необходимый за­ пас штырей (не менее четырех).

Укладка извлеченных из скважины бурильных труб при вибробурении производится вручную. Если трубы укладыва­ ются на землю, приходится тратить много сил на их подтаски­ вание и оттаскивание. В Мосгоргеотресте успешно применяется вертикальная установка труб, которая производится в непосред­ ственной близости от устья скважины. Под нижние концы труб ставится металлический ящик. Верхние концы упираются в специальную П-образную перекладину. Металлический ящик позволяет предохранить. резьбовые концы замков от загряз­ нения. При спуске снаряда в скважину рекомендуется резьбо­

123

ПРОЦЕСС И ТЕХНОЛОГИЯ ВИБРОБУРЕНИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИБРОБУРОВОГО ПРОЦЕССА

Порядок производства работ при вибробурении, последова­ тельность вспомогательных операций устанавливаются в зависи­ мости от задач бурения скважин, особенностей применяемого оборудования и инструмента, геологических условий и состава буровой бригады.

Подготовительные работы включают в себя установку вибро­ агрегата на точке бурения, подъем мачты, установку опорных домкратов, разгрузку бурового инструмента, установку и подъем вибропогружателя и т. д.

Для осуществления забуривания зонд присоединяют к вибро­ погружателю. Затем инструмент вместе с вибропогружателем опускают до упора башмака в грунт. При этом нужно следить, чтобы зонд был установлен вертикально. Это обеспечит верти­ кальное направление скважины и устранит последующие ослож­ нения при бурении, связанные с отклонением оси скважины от вертикали.

Забуривание обычно производят зондом возможно большего диаметра. Зонд присоединяют к вибропогружателю, устанавли­ вают его на грунт и затем включают вибропогружатель. Первый рейс, как правило, дает выход керна меньше 100% за счет уплот­ нения поверхностных слоев грунта. Поэтому, если требуется сохранить выход керна, близкий к 100%, необходимо величину рейса уменьшать до 0,5 м. В остальных случаях, если не ста­ вится никаких ограничений, величина первого рейса должна' соответствовать его оптимальной длине для начального интер­ вала скважины (0,5—2,0 м).

Чтобы закрепить устье скважины, после первого забуривания при помощи вибропогружателя забивают кондуктор. Дальней­ ший процесс вибробурения складывается из следующих друг за другом циклов. Каждый цикл включает в себя спуск инстру­

125-

мента на забой скважины, бурение, подъем инструмента и •очистку зонда от породы.

При спуске в скважину зонд, диаметр которого равен диа­ метру скважины, нередко не доходит до забоя на 0,5; 1; 2 м и более. Отчасти это объясняется сужением или оплыванием стенок скважины, но главным образом тем, что буровой снаряд, будучи не прямолинейным, при спуске внедряется в стенки сква­ жины и дает ей новое направление. Добивку снаряда обычно производят под действием веса вибропогружателя, а иногда путем кратковременных включений его в работу. При этом зонд на большую часть своей длины заполняется ранее пройденной породой, и следующий рейс оказывается искусственно умень­ шенным. Геологическая документация в этом случае затруднена, так как нет четкой границы между ранее задокументированным и вновь пройденным интервалом. Во избежание этого необхо­ димо возможно чаще переходить с одного диаметра бурения на другой*. Так, например, скважина глубиной 10 м в породах, не требующих крепления стенок обсадными трубами, может быть пройдена следующим образом: первые 4 м — с помощью зонда диаметром 168 мм, следующие 4 м — с помощью зонда диаметром 127 мм и следующие 2 м — с помощью зонда диа­ метром 108 мм. Рассмотренный пример не является рецептом для всех случаев, однако использование принципа перехода ■с одного диаметра бурения на другой позволит резко сократить время на бурение скважины по сравнению с тем, если бы она все время бурилась зондом одного диаметра.

При бурении скважины необходимо стремиться, чтобы вели­ чина погружения зонда соответствовала оптимальной длине рейса. Это не всегда возможно вследствие образования в зонде грунтовой пробки, которая препятствует его погружению в грунт. Грунтовую пробку иногда удается пробить путем подъема сна­ ряда на некоторую высоту и свободного сбрасывания его на забой скважины с одновременным включением вибропогру­ жателя.

Средняя продолжительность работы вибропогружателя без перерыва обычно не превышает 15 мин. Нерационально продол­ жать вибробурение, если скорость погружения зонда не превы­ шает 0,05 м/мин (за исключением бурения особо плотных пород).

При подъеме бурильной колонны, когда зонд отрывается от забоя, нередко требуются большие усилия, велиична которых зависит от свойств грунта, степени внедрения зонда и его диа­ метра. Наибольшие усилия требуются для выдергивания зондов из глин при бурении без обсадных труб. Эти усилия,, по данным

* Указанная рекомендация следует также из теории. Для начальных интервалов в- сущности безразлично, каким зондом будет произведена забурка. Более того, предпочтительными являются зонды большего диаметра.

326

чину рейса к в период срыва зонда периодически включатьвибропогружатель на 3—5 с с одновременной натяжкой инстру­ мента через лебедку виброустановки.

Как только зонд поднят на поверхность, производится его очистка от породы и оформляется геологическая документация пройденного интервала. После очистки поверхности керна со стороны прорези и обнажения всех текстурных особенностей грунта отбирают образцы грунта и фиксируют глубину располо­ жения границ напластований.

При бурении неустойчивых пород стенки скважины следует крепить обсадными трубами. Крепление может производиться в процессе бурения, при этом может быть использован вибро­ погружатель, производящий бурение. Для установления границ литологических разностей грунта, особенно если проходятся плывуны, необходимо, чтобы обсадная колонна несколько опере­ жала забой скважины.

В задании на бурение скважины может быть предусмотреіг отбор образцов с ненарушенным природным сложением (моно­ литов) для определения физико-механических свойств грунта. В этом случае следует применять грунтонос. Чтобы сохранить структуру нижележащего слоя, предыдущая заходка должна быть небольшой по величине (50—70 см) и продолжительности бурения. При вибропогруженин грунтоноса, требующем всего' нескольких секунд, необходимо следить, чтобы не произошло' излишнего погружения и грунтовый керн не уперся в дно грунто­ носа.

При использовании виброустановок, смонтированных на одно­ осном прицепе, либо переносных вибробуров порядок производ­ ства операций будет несколько отличаться от описанного выше,, однако существо этих операций остается тем же.

ВИБРОБУРИМОСТЬ ГРУНТОВ

В настоящее время вопросы вибробуримости грунтов изучены недостаточно. Большинство исследователей, признавая в прин­ ципе необходимость разработки специальной классификации грунтов по вибробуримости, предпочитают пользоваться сущест­ вующими классификациями, в том числе двенадцатибалльной

Специально вибробуримость различных грунтов рассмотрена1 в работах А. М. Яковлева. В частности, А. М. Яковлев ввел показатель вибробуримости. Он же установил, что этот показа­ тель для глин изменяется в пределах от 0,5 до 1,7; для суглин­ ков— от 1,2 до 2 и для песков — от 0,26 до 0,32. Таким образом,, по А. М.. Яковлеву, наименьшей вибробуримостью обладают пески. Предложенная классификация учитывает особенности-

12Г

вибробурения тех или иных грунтов, однако она не получила распространения.

Опыт показывает, что наилучшей вибробуримостыо обладают сильно увлажненные супеси и суглинки. Плохо поддаются внбробуреиию глины тутопластичной и полутвердой консистен­ ции и плотные пески, особенно плохо проходятся при вибро­ бурении крупнообломочные и насыпные грунты.

Аналогичные данные были получены в Центрально-Казах­ станском геологическом управлении. В этой организации было установлено, что в порядке убывания скорости вибробурения породы располагаются в следующем порядке: каолиновая кора выветривания, легкая сильно увлажненная глина и суглинок, глина тугопластичной консистенции, плотные сухие супеси и суглинки.

Как известно, в отечественной практике для бурения неглубо­ ких (до 30 м) скважин в нескальных породах используется по крайней мере пять различных способов (вибрационный, колон­ ковый, ударно-канатный кольцевым забоем, шнековый, медленно­ вращательный). Разрабатывать и использовать в повседневной практике для каждого способа бурения свою классификацию грунтов вряд ли целесообразно. Поэтому большее распростране­ ние получают обобщенные классификации, которые можно при­ менять для любого из названных способов бурения.

Значительные объемы вибробурения, выполняемые в различ­ ных организациях, н статистический характер изменчивости свойств грунтов, в которых осуществляется впбробурение, ста­ вят вопрос об отказе от подразделения грунтов по вибробуримости и о нормировании этого вида работ по другим признакам и, Е частности, по глубине скважин.

ТЕХНОЛОГИЯ ВИБРОБУРЕНИЯ

Основными технологическими параметрами, определяющими эффективность вибробурения, являются момент дебалансов, частота колебаний и вес вибровозбудителя; скорость удара, вес ударной части и частота ударов вибромолота, а также длина рейса, диаметр зонда, продолжительность непрерывного вибри­ рования. 1

В большинстве случаев при создании той или иной установки •ей придается вибропогружатель с постоянными параметрами, ■обеспечивающими бурение скважин определенного диаметра и глубины в соответствующих грунтовых условиях. Как правило, параметры вибропогружателя не регулируются в процессе буре­ ния и он работает в постоянном, заранее заданном режиме. Исключение составляют скорость вращения дебалансов, кото­ рая может регулироваться в небольших пределах изменением числа оборотов приводного двигателя, и зазор между ударни­ ком и наковальней в пружинных вибромолотах, изменяя кото-

128

рый можно регулировать скорость удара ударной части. Первая регулировка может быть рекомендована при наличии определен­ ного навыка у сменного мастера, производящего бурение. При использовании беспружинных вибромолотов эта регулировка особенно эффективна. Вторую регулировку часто применять не рекомендуется, так как при некоторых условиях и без доста­ точного опыта изменение зазора может привести к отрицатель­ ным результатам.

Параметры вибропогружателей, которые могут обеспечить эффективное бурение скважин в нескальных грунтах глубиной до 30 м, диаметром 89—168 мм, приведены в табл. 14.

Если вибропогружатель питается от централизованных источ­ ников электропитания, для регулирования частоты вращения дебалансов необходимы дополнительные устройства.

Длина рейса относится к числу немногих параметров вибробурения, величина которых в определенных пределах может произвольно устанавливаться сменным мастером. Тем важнее правильно ее выбирать. Выше было показано, что оптимальная длина рейса, обеспечивающая достижение максимальной рейсо­ вой скорости бурения, существует в действительности, причем почти все оптимальные длины рейсов находятся в пределах,, которые легко могут быть реализованы на практике при исполь­ зовании существующего вибробурового оборудования.

В легких условиях оптимальная длина рейса находится в пределах 2,5—5 м. Осуществить такие заходки довольно трудно, однако к ним следует стремиться. Первый рейс при этом не должен быть очень большим (0,5—2 м). Увеличивать его до- 3—4 м нецелесообразно, даже если механическая скорость буре­ ния продолжает оставаться значительной.

Для средних условий оптимальная длина рейса во всех слу­ чаях резко уменьшается с увеличением глубины скважины. Поэтому первые заходки по возможности должны быть боль­ шими с постепенным их уменьшением при увеличении глубины бурения.

Для тяжелых условий оптимальная длина рейса несущест­ венно зависит от глубины скважины. Тем не менее, первые за­ ходки также следует по возможности делать более длинными.' На практике при производстве вибробурения скважин необ­ ходимые исходные данные для расчета оптимальной длины рейса в большинстве случаев отсутствуют. Ниже излагаются некоторые практические рекомендации, выполнение которых позволит буровой бригаде достичь большей рейсовой скорое™

бурения.

В настоящее время длина рейса при внбробурении устанав­ ливается произвольно (если не ставится никаких ограничений геологической службой). Обычно буровая бригада стремится осуществлять забивку зонда либо до его полного заполнения грунтом, либо до полной приостановки процесса углубления и только после этого производит подъем инструмента. Такая практика не может быть признана рациональной. Во-первых, она снижает качество инженерно-геологической документации,, во-вторых, уменьшает рейсовую скорость бурения. В ряде источ­ ников рекомендуется прекращать процесс вибробурения, если скорость погружения зонда снизилась до 0,05 м/мин. Но и эта рекомендация не является удовлетворительной.

Произведем сопоставительную оценку предельных величинпогружения наконечника и оптимальной длины рейса для

130