Вибрационное бурение

Этот способ проходки скважин заключается в передаче буровому снаряду высокочастотных колебаний или ударов. Различают вибрационное и виброударное бурение. Генератором колебаний является вибратор, расположенный на поверхности. При первой разновидности бурения вибратор жестко связан с буровым снарядом, образуя в процессе проходки скважины единую колеблющуюся систему. При виброударном бурении буровой снаряд связан с вибратором скользящей посадкой. Вибратор в результате возникающей при его работе знаки переменной силы подбрасывается вверх и своей массой наносит удару по буровому снаряду.

При вибрационном бурении формирование скважины происходит результате передачи колебаний окружающим буровой снаряд частицампороды. В песчаных грунтах это явление приводит к резкому снижению сил сцепления между частицами и трения между боковой поверхностью снаряда и окружающими породами. Сила веса бурового снаряда и вибра­тора в этом случае превышает указанную суммарную силу сопротивления породы, и буровой снаряд как бы тонет в ней, углубляя скважину. При (прении глинистых пород под действием колебаний из них выделяется связанная вода, которая, смазывая боковую поверхность снаряда, резко снижает силы трения при его погружении в грунт.

Виброударный способ формирования скважины реализуется за счет дробления и уплотнения буримых пород. Из рассмотренных двух paзновидностей бурения виброударное применяется значительно чаще «следствие возможности эффективной проходки более широкого диапазона пород. Виброударное бурение эффективно в породах I - IV категорий по буримости. Наибольшую буримость имеют увлажненные суглинки, супеси, меньшую — сухие плотные глины и пески. Плохо поддаются вибробурению крупнообломочные породы. Глубина сква­жин при использовании вибромеханизмов, расположенных на поверх­ности, составляет 25 - 30 м. Эффективность дальнейшего углубления резко снижается вследствие поглощения большей части энергии колебаний буровым снарядом.

Принцип действия вибратора заключается в следующем (рис. 18). вал электродвигателя 1 через трансмиссию 2 передает вращение двум дискам, с которыми жестко связаны смещенные относительно враще­ния на величину r дебалансы 4.

Дебалансы массой m вращаются с одинаковой угловой скоростью образуя в каждый рассматриваемый момент времени одинаковые (синфазные) углы Вследствие равенства величин и на вращающиеся дебалансы действуют равные центробежные силы F:

(31)

Разложив вектор на горизонтальную и вертикальную составляющие, приходим к выводу, что горизонтальные силы любой момент времени взаимно уравновешивают друг друга. Верти­кальные составляющие складываются, причем величина суммарной силы

Нетрудно заметить, что при и сила вибратора будет максимальной:

(32)

Следовательно, для увеличения возмущающей силы необходимо повышать частоту вращения и массу дебалансов, увеличивать их сме­щение относительно оси вращения.

Рис. 27. Схема работы вибратора: 1 -электродвигатель; 2- трансмиссия; 3— корпус; 4 — Небалансы; 5 — зажимной (ударный) патрон; 6—бурильные трубы; 7 — породоразрушающий инструмент; S — диск; 9 — канат; 10 — барабан лебедки

Рис. 28. Породоразрушающий инструмент вибрационного бурения

Технологический инструмент при вибрационном бурении состоит из колонны бурильных труб, опущенных в скважину и соединенных с породоразрушающим инструментом. В качестве последнего используются виброзонды, виброжелонки и грунтоносы, углубляющие скважину кольцевым забоем.

Виброзонд представляет собой трубу длиной 1-3 м имеющую на верхнем торце переходник для соединения с бурильными трубами, а на нижнем - башмак с заостренным конусным торцом. По­следний закаливается или наплавляется твердым сплавом. Диаметр баш­мака выполняется несколько большим (на 2-3 мм) по отношению к трубе для уменьшения боковых сил трения при углублении виброзонда На боковой поверхности последнего выполняются продольные окна с углом выреза 90 - 160° для облегчения извлечения керна.

Грунтонос (рис. 28, б) применяется для отбора керна рыхлых пород и отличается от виброзонда наличием керноприемной гильзы 3, расположенной внутри корпуса 2, и обратного клапана 4, служащего для снижения давления во внутренней части грунтоноса по мере по­ступления формирующегося керна. В состав грунтососа входят также башмак 1 и переходник 5.

Виброжелонка применяется при бурении сыпучих и плывучих пород и принципиально не отличается от желонок с плоским клапаном для ударно-канатного бурения.

Установки вибрационного бурения включают вибратор (вибро­молот), лебедку для подъема и спуска бурового снаряда, генератор для питания электродвигателя вибратора, мачту, устройство для ее подъе­ма и опускания, пульт управления, транспортную базу.

Наиболее распространенной является установка АВБ - 2М отличительная особенность которой—возможность проходки скважин также ударно-канатным способом. Установка позволяет бурить сква­жины диаметром 108 - 168 мм на глубину до 20 м виброударным спо­собом и до глубины 40 м - ударно-канатным. В качестве вибровозбу­дителя используется вибромолот ВБ-7 мощностью 7 кВт с максималь­ной возмущающей силой 35 кН. Для проведения спускоподъемных операций установка оснащена лебедкой и мачтой шестового типа высотой 7,5 м. Мачта оборудована кронблоком и талевым блоком. Вибромолот по мере углубления скважины перемещается по направ­ляющим мачты. При переходе на ударно-канатное бурение вибромолот снимают и к канату присоединяют ударный инструмент. Подъем и опус­кание мачты осуществляются с помощью винтового подъемника. Перечисленное оборудование, а также генератор смонтированы на аи томобиле ГАЗ-66.

Технология вибрационного бурения заключается в чередовании во временя циклов, включающих спуск бурового снаряда, углубление забоя подъем инструмента и его очистку от породы. Эффективность бурения зависит от параметров вибровозбудителя - момента и частоты вращений дебалансов, а при использовании вибромолота - от его массы и частоты ударов. Эти параметры, как правило, не регули­руются в процессе бурения.

При разбуривании глинистых грунтов рекомендуется применять вибропогружатель с большим моментом дебалансов и пониженном частотой Песчаные грунты лучше бурить с применением высокочас­тотных вибропогружателей. В сухих плотных грунтах использовании вибромолотов значительно эффективнее вибраторов. Оптимальная длина рейса при вибробурении зависит от глубины скважины и изме­няется от 2 м при глубине скважины 3 м до 0,6 м при глубине 20 м. Начальные интервалы скважины следует бурить зондами больших диаметров с последующим их уменьшением по мере углубления сква­жины Диаметры применяемых зондов: 219, 168, 146, 127, 108 мм. Та­кая технология необходима вследствие зажима зонда зтглотняемой в стенки скважины породой, что ведет к резкому возрастанию усилия при извлечения инструмента.

Чистое время вибрационного бурения обычно составляет 25 %, поэтому большое внимание необходимо уделять механизации вспомо­гательных работ. Производительность вибрационного бурения в зна­чительной степени зависит от глубины скважины. Так, при глубине скважины до 10 м скорость бурения в грунтах III - IV категорий со­ставляет 50 - 6О м/смена, а при глубине 20 м скорость уменьшается в 2 раза.

Вибрационное бурение обеспечивает получение качественной гео­логической информации позволяет получить 100 %-ный выход керна и с большой точностью составить геологический разрез разбуриваемых по­род. Недостатки вибрационного бурения - узкая область применения (мягкие породы) и небольшая глубина скважин. Для увеличения глубины бурения следует создавать скважинные вибраторы, устанавливаемые непосредственно над породоразрушаюшим инструментом.

Дата добавления: 2015-07-13