14.4. Вибрационное бурение

С целью дальнейшего увеличения производительности бу­рения и качества опробования мягких горных пород был предложен вибрационный способ бурения. В настоящее время это наиболее произ­водительный способ бурения. Он в 2,5 раза производительнее враща­тельного колонкового способа («всухую») и более чем в 2 раза произво­дительнее ударно-канатного колонкового способа.

Средняя производительность составляет около 35 м/см, макси­мальная - 50-70 м/см. Скорость погружения бурового снаряда в мягкую горную породу в среднем составляет 1,5-2,5 м/мин, а в песчаные грунты - 5-6 м/мин. При этом достигается наиболее качественное опробование. Керн получается с ненарушенной структурой естественной влажности, что очень важно при инженерно-геологических исследованиях. В сква­жине диаметром 150 мм можно получить керн длиной 2 м. При бурении буровой снаряд не вращается, следовательно исключаются затраты энергии на его вращение и снижается износ снаряда.

Поскольку производительность бурения с глубиной скважины сни­жается, область эффективного использования этого способа при буре­нии поверхностными вибраторами ограничивается глубиной 15-25 м. Для бурения более глубоких скважин (до 80 м) применяют погружные вибраторы.

Сущность процесса вибрационного бурения заключается в следующем. Мягкие горные породы (увлажненные илы, глины, супеси, суглинки, рыхлые пески) представляют собой скопление мельчайших частиц, связанных пленками воды. Как известно, такие пленки воды обладают высокой прочностью и вязкостью. Чем тоньше пленка воды, тем она прочнее. В отличие от обычной воды ее молекулы упорядочены и сориентированы под воздействием электрического поля частиц горной породы, скорость осцилляции молекул воды резко понижена, что обусловливает высокую прочность ее пленок.

Под воздействием вибратора, установленного на бурильную ко­лонну (рис. 14.11), через последнюю на забойный снаряд передаются колебательные движения, которые вызывают вибрацию горной породы, в результате чего скорость осцилляции молекул пленки воды резко воз­растает, что влечет за собой их дезориентировку и резкое снижение вяз­кости и прочности пленок, а, следовательно, прочности горной породы в целом (эффект тиксотропии). Одновременно со снижением прочности горной породы в контакте с вибрирующим инструментом происходит расталкивание в стороны (уплотнение) пористой массы горной породы. В результате снижения прочности породы и ее уплотнения тяжелый бу­ровой снаряд опускается вниз под собственным весом.

Для большей эффективности бурения скважин вибрацию снаряда часто совмещают с ударными импульсами (виброударный способ) или с его вращением (вибрационно-вращательный способ).

Вибрационный и виброударный способы предназначены для бу­рения мягких пород, вибрационно-вращательный - для бурения мягких и средней твердости горных пород.

Рис. 14.11. Схема буровой установки для вибрационного бурения скважин:

а - общий вид; б - ударный узел; в - вибратор; 1 - электромотор; 2 - корпус вибратора; 3 - привод; 4 - дебаланс; 5 - присоединительный элемент; 6 - боек; 7 - пружина; 8 - наковальня; 9 - бурильная труба; 10 - буровой снаряд

Оборудование. Буровой снаряд

Вибрацию снаряда создают с помощью вибраторов, а виб­рацию одновременно с ударными импульсами - под воздействием виб­ромолотов.

Вибраторы и вибромолоты

По типу привода вибраторы и вибромолоты подразделяют на механические, зубчатые, гидравлические, пневматические, электромагнитные, магнитострикционные и др.

Наиболее распространенными для комплектования вибрацион­ных буровых установок являются механические вибраторы и вибромо­лоты (рис. 14.12). Они основаны на принципе возбуждения центробеж­ных сил при вращении эксцентрично смещенных масс.

Рис. 14.12. Вибрационные машины: а - двухблочный вибратор; б - вибромолот;

1 - пружина; 2 - болт; 3 - корпус вибратора; 4 - эксцен­трики; 5 - валики; 6 - клиноременная передача; 7 - шестерни; 8 - шкив; 9 - электродвигатель; 10 - серьга; 11 - наковальня; 12 – переходник

Рис. 14.13. Породоразруша-ющие инструменты для вибрационного бурения: а–виброзонд; б-виброжелонка; 1 - башмак; 2 - корпус; 3 - резьбовой конус; 4 –клапан

Для вибрационного бурения в основном используют установку типа ВБ-2М, смонтированную на автомашине ГАЗ-66 с генератором мощности 25 кВт и вибромолотом ВБ-7 с возмущающей силой 35 кН. Для вибровращательного способа применяют установку АВБ-3, смонтированную на базе автомобиля ЗИЛ-131. Рабочие органы - ротор и виб­ромолот ВБ -7М.

Буровой снаряд для вибрационного бурения состоит из виброзонда, грунтоноса, виброжелонки (рис. 14.13) и колонны буриль­ных труб диаметром 42, 50, 63,5 или 73 мм.

Виброзонд (рис. 14.13 а) аналогичен стакану при ударно-канатном бурении и представляет собой трубу 2 диаметром 60-219 мм и длиной 0,5-3,0 м с переходником в верхней и башмаком 1 (рабочим кольцом) в нижней части. Обычно применяют зонды диаметром 100-150 мм. В связи с трением посту­пающей в зонд горной породы о стенки зонда и нарушением вслед­ствие этого структуры керна ми­нимальный диаметр зонда должен быть не менее 60 мм. Для умень­шения трения породы о зонд толщина стенки башмака должна быть на 2-4 мм больше толщины стенки зонда. Режущую кромку башмака либо подвергают закалке, либо армируют наплавочным твердым сплавом. Скос лезвия башмака для более плотных пород делают наружным, для рыхлых - внутрен­ний. Угол скоса составляет от 15 до 60°. При бурении в валунно-галечниковых отложениях приме­няют башмаки с зубьями.

Для бурения устойчивых связных пород служат зонды с од­ной продольной прорезью и углом выреза 140 - 160°, в менее устойчи­вых с уголом выреза 90-140° или с двумя прорезями. При длине труб 3 м делают несколько прорезей.

Для бурения слабосвязных грунтов применяют зонды без проре­зей с клапанами 4 в башмаке (виброжелонки) или в верхней части (грунтоносы). Для облегчения извлечения породы применяют разъемные зонды. Грунтоносы и желонки (рис. 14.13 б) для вибробурения такие же, как и для бурения ударно-канатным колонковым способом.

Технология бурения

Производительность вибрационного бурения зависит от типа вибратора, диаметра виброзонда, длины рейса и продолжительно­сти бурения.

При бурении вязких глинистых грунтов рекомендуется применять вибропогружатели с большим моментом эксцентриков (до 1500 Нем) и пониженной частотой их вращения (менее 1200 об/мин), такие, как BQ-6, ВО-10, при бурении песков - высокочастотные виб­ропогружатели с большой частотой вращения эксцентриков (от 1200 до 2500 об/мин), например ВПМ-1.

При бурении промежуточных по вязкости пород выби­рают вибраторы от ВБ-7 до В-109. Нужно помнить при выборе вибро­погружателей, что вибромолоты всегда эффективней вибраторов.

Регулирование частоты вращения эксцентриков можно произво­дить изменением частоты вращения двигателя, в пружинных вибромо­лотах частоту ударов можно регулировать путем изменения зазора меж­ду бойком и наковальней.

Механическая скорость вибробурения на интервале до 4 - 5 м с увеличением диаметра зонда растет, а с глубины 5 м несколько понижа­ется. Поэтому рекомендуется для вибробурения применять набор зон­дов различного диаметра. В необсаженных скважинах смена диаметров зондов снижает также трение и прихват снаряда в скважине.

Бурение неустойчивых горных пород следует проводить параллельно с креплением скважин. Погружение обсадных труб произ­водят также с помощью вибраторов, имеющих центральное отверстие для труб.

При бурении плывунов крепление скважин производят с опере­жением забоя на 0,3 - 0,5 м и более в зависимости от устойчивости по­род. Минимальный диаметр зонда должен быть не менее 108 мм.

Длина рейса зависит от перебуриваемой горной породы и глуби­ны скважины (табл. 14.1).

Таблица 14.1

* Первый рейс при этом должен быть уменьшен до 0,5 - 2,0 м.

В слабых и средних грунтах рекомендуется вести бурение с увеличенной длиной рейса (до 10-15 м). В этом случае исключается необходимость крепления скважин.

Средняя продолжительность рейса колеблется в пределах от 1 до 15мин.

Для более тщательной отбивки контактов время рейса в песках не должно быть более 2 мин, в глинах – 3 - 4 мин. Бурение следует прекра­щать при резком снижении механической скорости бурения до 10 см за 20 с.

При глубине скважин свыше 15 - 25 м и при бурении более твер­дых пород до V - VI категорий, валунов и галечников наблюдается наиболее эффек­тивно вибрационное бурение с вращением бурового инструмента. Скорость бурения в этом случае возрастает в 1,5 раза, длина рейса - в 2,5 - 3,0 раза (до 4 - 5 м), глубина бурения - в 2 - 3 раза (до 45 м).

Для вибрационно-вращательного бурения используют либо специальные вибраторы типа ЛГИ-1, либо установку АВБ-3. В качестве породоразрушающего инструмента применяют коронки. Частоту вра­щения снаряда принимают в пределах от 40 до 80 об/мин.

Вибрационное бурение мягких горных является наиболее производительным и наиболее эффективным способом. Однако до настоящего времени широкого распространения он не нашел. По объему бурения он занимает всего 5 - 10 % от всего механического бурения неглубоких скважин.

В связи с высокой эффектностью его следует смелее внедрять в практику разведочного бурения. Особый интерес представляет вибрационно-вращательный способ. Этот способ позволит бурить сква­жины значительной глубины по породам средней твердости.