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

глинистых грунтов полутвердой и тугопластичной консистенции и рыхлых песчаных грунтов; вторая модель — соответственно из глинистых грунтов мягкопластичной консистенции; третья мо­ дель-—из глинистых грунтов текучепластичной и текучей кон­ систенции, водонасыщенных рыхлых песчаных грунтов, илов, разложившихся торфов и т. д.

ВИБРОЗОНДИРОВАНИЕ ГРУНТОВ

Ранее отмечалось, что скорость погружения зонда при вибро­ бурении существенно зависит от физико-механических свойств грунтов. Следовательно, записывая скорость погружения зонда, можно по ее изменению судить об изменении физико-механи­ ческих свойств проходимых грунтов.

В отечественной практике первые опыты по виброзондиро­ ванию грунтов были проведены Ю. М. Лычко [60] в Мосгоргеотресте. Работы выполнялись в районе г. Москвы с использова­ нием вибробурового агрегата АВБ2М, оснащенного вибромоло­ том ВБ7. В процессе бурения скважины регистрировалось время погружения зонда через каждые 0,5 м глубины, которая опреде­ лялась по меткам, нанесенным на мачте агрегата через 10 см. По данным измерений вычислялись скорости вибробурения и строились графики изменения скоростей по глубине. Опыты проводились на площадках с разнообразными геологическими условиями. Полученные при полевых измерениях данные о ско­ ростях вибробурения сопоставлялись с результатами лабора­ торных определений физико-механических характеристик грунтов.

Для песчаных грунтов наиболее четкая связь наблюдается между скоростью вибробурения, определенной в пределах одно­ родного слоя грунта, и углом внутреннего трения. Поскольку для глинистых грунтов средняя скорость вибробурения не яв­ ляется устойчивым показателем их свойств, для характеристики процесса погружения зонда Ю. М. Лычко принят параметр, представляющий собой логарифм отношения скоростей на двух последовательных по глубине 0,5-метровых интервалах. Вели­ чина этого параметра в пределах однородного слоя грунта постоянна и не зависит от величины углубления зонда. Было установлено, что она тесно связана с консистенцией суглинков и глин.

Исследования показали, что при вибробурении скважин можно получать дополнительную информацию о свойствах грунта, если измерять скорость погружения зонда.

В опытах Ю. М. Лычко время погружения зонда на опре­ деленную глубину замерялось секундомером. Это требовало по­ стоянного присутствия на скважине дополнительного оператора. Однако перспективным направлением в дальнейшем развитии виброзондирования является автоматизация процесса записи

162

скорости вибробурения. Желательно также записывать другие параметры и особенно параметры колебаний и частоту уда­ ров вибромолота.

В1972 г. в Мосгоргеотресте А. И. Алиповым был разработай

исобран опытный образец прибора для автоматической регист­ рации параметров вибрационного бурения. Регистратор состоит из блока датчиков, блока усилителей и трех самописцев. Блок датчиков укреплен непосредственно на мачте агрегата АВБ2М над вибромолотом и соединен с последним специальной рамкой

снаправляющими. В направляющих сделаны прорези, благо­ даря которым блок датчиков при работе вибромолота по мере углубления скважины движется только вниз. Самопроизволь­ ному опусканию ползуна препятствует пружинный тормоз. Движение ползуна, полностью повторяющего погружение зонда в грунт, фиксируется фотоэлектрическим датчиком, расположен­ ным на ползуне. Фотоэлектрический датчик состоит из ролика,

который специальным пружинным механизмом прижимается к направляющей мачты. В ролике имеются отверстия. Во время перекатывания ролика по направляющим мачты через эти отвер­ стия от источника света происходит засвечивание фотоэлемента. Полученный импульс через триггерный усилитель фиксируется на самописце. Зная число оборотов ролика в единицу времени, можно легко вычислить скорость погружения зонда.

Подсчет количества ударов вибромолота производится с по­ мощью магнитоэлектрического датчика. Блок датчиков с по­ мощью гибкого кабеля соединен с самописцами, расположен­ ными в непосредственной близости от скважины.

Питание датчиков осуществляется от источника постоянного тока напряжением 12 В; самописцев—от генератора агрегата, имеющего напряжение 380 В. Привод самописцев от генератора обусловливает синхронную работу лентопротяжных механизмов

иэлектродвигателя вибромолота. Протяжка лент на всех трех самописцах осуществляется с одинаковой скоростью, что позво­ ляет при совмещении трех графиков (углубления зонда, вре­ мени и количества ударов) судить о скорости погружения зонда

ирежиме работы вибромолота в каждой конкретной точке разреза.

Предварительные результаты использования автоматической регистрации параметров вибробурения свидетельствуют о боль­ шой перспективности этого метода и широких возможностях комплексного использования внбробурения при инженерно­ геологических исследованиях. Следует отметить, что виброзонди­ рование грунтов отрабатывается не только в Мосгоргеотресте, но и в ряде других организаций. В частности, интенсивные ра­ боты проводятся в БелГИИЗе. В этой организации виброзонди­ рование используется для выделения инженерно-геологических

элементов с целью выбора места для последующей постановки испытаний грунтов штампами, сдвиговых испытаний и т. д.

6* 163

ПОГРУЖЕНИЕ И ИЗВЛЕЧЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

ТРЕБОВАНИЯ К ВИБРОМАШИНАМ ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Процесс погружения обсадных труб вибропогружателями принципиально не отличается от процесса бурения скважин. Вибропогружатель присоединяется к верхнему концу обсадной колонны либо крепится на гладкой части, и кратковременными включениями его в работу осуществляется погружение колонны на заданную глубину. При необходимости периодически произ­ водится очистка забоя с помощью желонки или обычного буро­ вого снаряда, спускаемого в скважину на бурильных трубах.

Процесс извлечения труб, особенно если они находились в грунте длительное время, представляет значительные трудности. При использовании обычных методов извлечения труб наиболь­ шие трудности возникают при срыве колонны с места. Вибромеханизмы за счет вибрационного воздействия, передаваемого колонне, способны резко уменьшить силы сухого и вязкого тре­ ния, действующие по ее боковой поверхности. За счет этого необходимое статическое усилие на срыв колонны при ее извле­ чении может быть уменьшено во много раз. Для некоторых разновидностей грунтов величина статического усилия, необхо­ димого для срыва колонны труб, при использовании вибропогру­ жателей может быть уменьшена с 2 000 000 до 100 000— 150 000 Н, т. е. более чем в 13 раз.

Основные требования, предъявляемые к вибромеханизмам, предназначенным для забивки и извлечения труб, состоят в сле­ дующем.

1. Параметры вибромеханизма должны обеспечивать его эффективное применение. Как показывает опыт, момент дебалан­ сов должен быть не менее 4,0 кг-м при скорости вращения дебалансов 1000—1500 об/мин.

2. Вибромеханизм должен иметь сравнительно малый вес (не более 1500 кг) и небольшие габаритные размеры, позволяю-

164

щне перевозить его теми транспортными средствами, которыми оснащены полевые геологоразведочные партии и экспедиции. Для успешного производства работ вибромеханизм должен быть приспособлен для работы с имеющимися в партиях и экспеди­ циях грузоподъемным оборудованием и буровыми станками.

3. Вибромеханизм должен обладать малым пусковым момен­ том, позволяющим его запускать от передвижной или стацио­ нарной электростанции малой мощности (не более 60 кВА).

4.Вибромеханизм должен иметь центральное отверстие для прохода труб и соответствующие приспособления для его за­ крепления на гладкой части трубы.

5.Вибромеханизм должен быстро перестраиваться с режима забивки на режим выбивки труб.

6.Если в качестве вибромеханизма используется вибромолот,

последний должен иметь приспособления для настройки на опти­ мальный режим работы с целью максимального использования установочной мощности.

Из числа наиболее успешно применяемых вибромеханизмов для забивки и извлечения труб следует назвать вибромолоты ВГ-6 и ВГ-8 конструкции Гидропроекта, вибромолот С-835 (В-95) конструкции ВНИИСтройдормаша. вибромолот ВМ-56 конструкции ВНИИПодземгаза, вибровозбудитель ВО-10 кон­ струкции Гидропроекта, вибромолот ВМ-7 конструкции ЦНИИСа, а также беспружинный вибромолот ВБ7 и др.

ПРОЦЕСС ЗАБИВКИ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТРУБ

Крепление стенок скважин трубами при вибрационном бу­ рении особых технологических трудностей не представляет и обычно производится тем же вибромеханнзмом, что и процесс бурения.

Необходимость спуска труб в скважину устанавливается на

>основе изучения проходимых грунтов. Обычно она возникает после проходки водоносных горизонтов и неустойчивых слоев грунта. Если при очередном спуске инструмента в скважину последний не доходит до забоя на несколько метров, а извле­ каемый грунт представляет собой разрушенную или разжижен­ ную массу, это указывает на необходимость закрепления сте­ нок скважины. Диаметр труб для закрепления должен соот­

ветствовать диаметру скважины. Трубы погружают до полного

поверхность труб от шлама с помощью зондов с клапаном. По­ следующий процесс бурения следует вести зондом диаметром на два размера меньшим диаметра обсадных труб. Например, при использовании обсадных труб диаметром 168 мм последую­ щее бурение следует вести зондом диаметром 127 мм. Такая мера позволит уменьшить вероятность расклинивания зонда

16S

в трубах. Если заданием предусматривается бурение сравни­

необходимость в закреплении стенок скважины трубами. Обыч­ но при вибробурении в скважину погружается одна колонна труб. Однако иногда число колонн достигает трех.

Собственно процесс забивки состоит из чередующихся опе­ раций по наращиванию и забивке труб вибропогружателем.

Извлечение труб чаще всего производят лебедкой станка (установки). Если усилия лебедки недостаточно, к трубам присоединяют вибропогружатель. Процесс извлечения начи­ нают с колонны труб меньшего диаметра. После извлечения всех труб скважину обычно засыпают грунтом с его периоди­ ческой утрамбовкой.

Если вибромашины используются для извлечения труб из глубоких скважин, пробуренных другими способами, процесс извлечения существенно усложняется. Для этой цели могут быть использованы любые грузоподъемные устройства: дере­ вянная тренога, металлический копер, вышка, автокран и т. д., высота которых обеспечивает подъем из скважины труб раз­ личной длины, применяемых в геологоразведочном бурении. Лебедка с талевой оснасткой должна обеспечивать значитель­ ное вертикальное статическое усилие (до 100 000 Н). В про­ тивном случае применение вибропогружателя для извлечения труб может оказаться безуспешным. Хорошие результаты при отсутствии специализированного агрегата для извлечения труб может дать комплект, состоящий из металлического копра ли­ бо треноги из труб диаметром 219 мм и механической лебедки

барабан 0,2—0,3 м/с.

Питание вибропогружателя электрическим током желатель­ но производить централизованно от сети. При отсутствии централизованного электроснабжения необходимо устанавли­ вать передвижную электростанцию. Ее мощность должна быть не ниже 50—60 кВА, так как при меньшей мощности запуск вибромашины затруднен.

Вибромашины при извлечении труб следует применять только тогда,' когда трубы не поддаются извлечению лебедкой. Все вибромашины имеют небольшой срок службы, поэтому при извлечении труб их следует включать на короткие промежутки времени (10—15 мин) с одновременным созданием вертикаль­ ного усилия лебедки. Когда скорость извлечения значительно возрастет и трубы начнут двигаться без вибромолота, его не­ обходимо выключить.

166

При производстве работ по выбивке труб вибромолотом С-835 в районе г. Лениногорска буровая бригада, производя­ щая извлечение труб, была снабжена станком ударно-канатно­ го бурения УКС-ЗОМ, металлической треногой из труб диа­ метром 219 мм, высотой 7,5 м и механической двухскоростной лебедкой с грузоподъемной силой 30 000 Н с трехструнным полиспастом. Питание вибромолота электрическим током осу­ ществлялось от сети. Геологический разрез в районе проведе­ ния работ представлял собой комплекс крупнообломочных

Вибромолотом была успешно извлечена колонна труб диа­ метром 377 мм с глубины 55 м. Трубы находились в грунте в течение 2 лет. Попытки извлечь колонну с помощью 3-тонной лебедки с шестиструнным полиспастом и домкратами не дали результатов. За 25 мин работы вибромолота при статическом усилии 9 кН было извлечено 3 м труб, после чего колонна на­ чала извлекаться без вибромолота.

При использовании для извлечения труб вибромолота ВМ-56 и вибровозбудителя конструкции ВНИИПодземгаза максимальная длина извлеченной колонны составила 75 м. Из­ влечение труб производилось буровым агрегатом БА-40, вклю­ чающим вышку телескопического типа высотой 21 м с грузоподъемной силой 400 000 Н. Среднее время вибрирования ко­ лонны до ее срыва составило 10—15 мин, а после срыва время подъема первой трубы — 2,5—3,0 ч. Значительное время вибри­ рования при подъеме первой трубы объясняется большим со­ противлением породы при прохождении муфтовых соединений, диаметр которых больше диаметра труб. После подъема пер­ вой трубы остальные трубы извлекались без вибрации.

В Пышминской комплексной геологопоисковой экспедиции использование вибромолота ВБ7 при проведении работ по

.погружению и извлечению обсадных труб позволило уменьшить затраты времени по сравнению с нормативными в 10,2 раза и

ми. Тележку цепляют к трактору или автомобилю и перевозят на нужное место.

167

ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПРИ ВИБРОБУРЕНИИ

ОРГАНИЗАЦИЯ ВИБРОБУРОВЫХ РАБОТ

Организация вибробуровых работ принципиально не отли­ чается от организации буровых работ вообще. Однако вслед­ ствие высокой производительности вибробурения при оснаще­ нии полевых партии и экспедиции вибробуровыми установками

нами. Серийный выпуск вибробуровых агрегатов АВБ2М орга­ низован сравнительно недавно, достаточного опыта в освоении этих агрегатов организации еще не приобрели, кадры буровых мастеров по вибробурению не готовятся, ремонтно-механиче­ ская база многих организаций требует существенного разви­ тия и т. д.

Необходимыми условиями успешного внедрения вибробуро­

использовать одновременно не менее четырех-пяти агрегатов в течение всего года. В качестве расчетной может быть принята

района, с тем чтобы доставка агрегатов и оборудования на ме­ сто работ могла осуществляться автотранспортом за время не более суток;

3) обязательное наличие достаточно развитой ремонтномеханической базы с цехом по ремонту электроаппаратуры. Ремонт виброагрегатов должен осуществляться достаточно оперативно в течение одной, максимум двух смен;

4) наличие достаточного количества запасных частей и вибробурового инструмента.

.168

Следует подчеркнуть, что без выполнения названных усло­ вии использование впбробурення может оказаться экономиче­ ски неоправданным. Нельзя рекомендовать организациям при­ обретать агрегаты АВБ2М в количестве 1—2 шт. Необходимо оснащать полевые подразделения тремя-четырьмя агрегатами и более. Это позволит накапливать необходимый опыт в про­ изводстве впбробурення, обеспечивать взаимную помощь и соревнование буровых бригад, наладить унифицированный ре­ монт и т. д. Главное в впбробурення — это наличие постоянно­ го фронта работ и быстрый и качественный ремонт оборудо­ вания.

Основные рекомендации по организации вибробуровых ра­ бот самоходными виброустаиовками состоят в следующем.

Возле объекта, на котором проектируется выполнение неко­ торого объема буровых работ, рассчитанных на определенное время, организуется временная база, где находится виброуста­ новка в ночное время и где хранятся все материалы, необхо­ димые для выполнения этих работ. Если объемы работ боль­ шие и рассчитаны на длительное время (несколько лет), обо­

подъем мачты и пр.) по возможности должны занимать мини­ мальное количество времени. В процессе работы желательно совмещать операции бурения и очистки зондов от породы. Каждая виброустановка должна быть оснащена запасными частями и приспособлениями для быстрого ремонта вибропо­ гружателя.

В зимнее время, так же как и в весенне-осеннюю распутицу, производительность вибробурения снижается на 20—30%• По­ этому работы в зимний период следует организовать особенно тщательно, чтобы не было простоев и непроизводительных за­ трат времени. Стоимость 1 м вибробурения скважин в зимнее время повышается по сравнению со среднегодовой более чем на 30%.

Наиболее успешно вибробурение используется в Мосгоргеотресте. В 1972 г. в этой организации эксплуатировалось более 30 виброустановок и впброагрегатов. Здесь же достигнута наи­

тресте состоит в следующем. Каждый виброагрегат представ­ ляет собой автономную энергетическую и транспортную едини­ цу. Работа на нем ведется в одну смену. Виброагрегат обслу­

169

живает буровая бригада, состоящая из двух или трех человек. Геологическое описание разреза и отбор образцов производит сменный мастер (под контролем геолога). В начале каждой смены перед выездом на место работ буровой бригаде вы­ дается задание на проходку определенного числа скважин с расчетом, что виброагрегат будет работать с максимальной производительностью. Снабженный всем необходимым для ра­ боты в течение смены виброагрегат выезжает на место произ­ водства работ. После окончания смены виброагрегат возвра­ щается на постоянную базу. Буровая бригада обычно органи­ зует свою работу так, чтобы недобуренных скважин не оста­ валось. Если задание на бурение скважин в смену не было вы­ полнено, оставшиеся скважины переносятся на следующую сме­ ну с добавлением новых скважин, которые в сумме с первыми по общему метражу составят максимально возможную смен­ ную производительность виброагрегата.

Важной особенностью организации вибробурения в Мосгоргеотресте является четкая работа ремонтных служб, которая обеспечивает бесперебойную эксплуатацию каждого виброаг­ регата. Наличие запасных вибропогружателей, ударных па­ тронов и т. д. практически ликвидирует простои буровых бригад. Крупный ремонт (замена генератора и пр.) обычно производится в ночную смену.

Резервы повышения ■эффективности вибробуровых работ и снижения их стоимости состоят в следующем: усовершенство­ вание конструкций виброагрегатов, вибропогружателей н буро­ вого инструмента; дальнейшая разработка и освоение прогрес­ сивной технологии вибробурения; разработка мероприятий по сокращению затрат времени на вспомогательные операции; по­ вышение квалификации обслуживающего персонала; рацио­ нальная организация работ вибробуровых установок; четкое функционирование ремонтно-вспомогательных служб; улучше­ ние планирования буровых работ, внедрение в практику сете­ вых графиков и научной организации труда и др.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И БАЛАНС РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ ПРИ ВИБРОБУРЕНИИ

Вибробурение является высокопроизводительным способом проходки скважин в мягких грунтах. Из табл. 8 видно, что производительность вибрационного способа бурения скважин с отбором керна при использовании самоходных агрегатов (по данным за 1971 г.) более чем в 1,2 раза превышает производи­

ного бурения и почти в 3 раза — ручного бурения.

170

Следует, однако, подчеркнуть, что вибрационный способ дает высокую производительность только при бурении скважин глубиной до 15 м. Данные табл. 20 свидетельствуют о том, что при бурении скважин глубиной до 25 м его производительность падает вдвое, а свыше 30 м — более чем в 4 раза.

АВБ2М (табл. 21). Однако эти результаты, по-видимому, не являются типичными. Они были предопределены локальными условиями вибробурения.

Вибрационное бурение обладает наиболее высокими меха­ ническими скоростями бурения. В табл. 22 приведены средние скорости вибробурения, полученные в различных организациях при использовании различных вибропогружателей.

Опытное сопоставление вибрационного и колонкового буре­

чем при колонковом, соответственно в 1,5, 2,5 и 1,2 раза.

В Пышминской комплексной геологопоисковой экспедиции также производилось сравнение показателей вибрационного и колонкового бурения. Было установлено, что в сопоставимых условиях проходка за рейс при вибробурении в 1,2 раза, меха­ ническая скорость в 1,8 раза, выход керна в 1,3 раза выше, чем при колонковом бурении. Данные о средней механической ско­

171