Вибрационное бурение скважин технология

Вибрационное бурение

Неизменная высокая результативность геологических исследований для проектирования и строительства, проводимых нашей компанией, достигается, во многом, благодаря качественной работе бурового звена ООО «ГеоГИС». Инженерно-геологические условия различных районов Московской области довольно разнообразны, поэтому скорость выполнения изысканий и качество грунтовых проб зависят от правильного выбора технологии бурения разведочных скважин. Один из способов, благодаря применению которого значительно интенсифицируются изыскательские работы, – вибрационное бурение.

Когда целесообразно применить вибрационное бурение?

Бурение, называемое вибрационным (или виброударным), хорошо зарекомендовало себя и эффективно применяется нами в инженерной геологии, когда изыскания с отбором керна (проб грунта) проводятся в таких условиях:

  • Глубина скважин, достаточная для качественного выполнения полученного нами технического задания на изыскания, не превышает сорока метров.
  • Геологический разрез изучаемого нами участка представлен физически уплотняемыми горными породами (глины, суглинки, супеси), корой выветривания коренных пород с включениями песка, гравия, гальки, щебня.
  • Прочность разбуриваемого грунта не превышает четвертой категории по буримости.

Внимание! Не следует применять вибрационное бурение по грунтам, которые, хотя и не являются прочными, но отличаются плохой сжимаемостью (углям, каменной соли, меловым отложениям). Они практически не поддаются этому способу бурения, и в местах их залегания мы выбираем альтернативный буровой метод. Такой, как, например, колонковое бурение.

Технологический принцип вибрационного бурения

Физический механизм работы применяемых нашей компанией установок вибрационного бурения основан на процессе уплотнения грунтовых частиц и соответственного уменьшения их объема при соприкосновении с буровым инструментом кольцеобразного сечения – вибрационным зондом (виброзондом). В результате образуется полость, в которую и внедряется виброзонд. Динамическую нагрузку, за счет которой происходит погружение виброзонда в грунт, мы генерируем с помощью высокочастотных вибраторов (вибромолотов), передающих усилие на буровой наконечник через колонну бурильных труб.

Важно! Для эффективного и качественного бурения конструкция вибратора должна обеспечивать только вертикальную вибрацию инструмента. Применяемое нами современное оборудование сводит возникновение нежелательных горизонтальных колебаний практически к нулю.

Основные элементы оборудования для вибрационного бурения

Основой агрегатов для вибрационного бурения, широко применяемых нашей компанией во многих уголках Подмосковья, является вибромолот с массой в несколько сотен килограммов. Работает он за счет вращения массивных, разбалансированных особым образом маховиков – дебалансов. Каждый дебаланс имеет утяжеляющий сектор, который и вызывает вибрацию при вращении. Кроме вибромолота, в комплект наших агрегатов входит:

  • Виброзонд. Так называется трубчатый инструмент, который погружается нами в грунт и извлекается из скважины с керновым материалом.
  • Вибропогружатель. Его мы используем для погружения в скважину и извлечения из нее обсадной трубы.
  • Электродвигатель, работающий от генератора и приводящий в движение все механизмы бурового агрегата.
  • Мачта с лебедкой. Необходима нам для производства спусковых и подъемных операций.

Важно! Выбор конкретного агрегата для вибрационного бурения, который будет наиболее соответствовать местным геологическим условиям, производится нашим технологом после предварительного ознакомления с территорией предстоящих изысканий.

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.

Читайте также  Как выбрать камни для бани самому?

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.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Вибрационный способ бурения скважин

На сегодняшний день существуют различные способы бурения скважин. Наиболее популярные из них – вращательные и ударные методы. Одна из современных и минее популярных технологий – вибрационная. Она имеет множество особенностей, определенные преимущества и недостатки, с которыми необходимо ознакомиться подробнее.

Что такое вибрационное бурение

Вибрационное бурение подходит для создания горизонтальных и наклонных скважин, для обустройства точек забора воды.

Прежде чем устанавливать и запускать оборудование, создается 2 котлована. Начальное углубление в земле предназначено для установки бурильного агрегата. Второй котлован – приемный. Он нужен для того, чтобы бур остановился по достижению требуемой глубины. Для ускорения процесса бурения, могут обустраиваться промежуточные котлованы, которые располагаются на удаленности друг от друга не более 15 метров.

После установки оборудования на исходную позицию, в самую нижнюю часть котлована погружается вибромолот, выставляется так, чтобы дойти до приемного “кармана”. Средняя скорость заглубления рабочей части в грунт – 30 см за минуту (зависит от плотности грунта). Когда рабочая часть пробьет стенку приемного котлована, оборудование автоматически отключается.

Особенности технологии

У технологии вибрационного бурения скважин есть несколько характерных особенностей, которые отличают ее от других методов обустройства скважин. Основные из них:

  • Ограничение глубины бурения вибрационным методом обуславливается снижение эффективности процесса продвижения в грунте с увеличением глубины.
  • За счет создания сильных вибраций, данная технология эффективна при прохождении через различные труднобуримые породы. Самая низкая эффективность бурения – на плывунах.
  • С помощью вибрационного способа можно бурить только физически уплотняемые породы грунта. При этом самые слабые скальные породы пробурить не получится. Это обуславливается тем, что в процессе бурения, упругие волны полностью рассеиваются в таких типах грунта.
  • Вибрационная технология позволяет не только создавать новые скважины, но и восстанавливать поврежденные трубопроводы, не выкапывая их из земли.

Преимущества и недостатки

Преимущества вибрационного бурения:

  • поверхность земли не повреждается, не нужно разрушать покрытие поверх почвы, демонтировать коммуникации;
  • достаточно дешевый рабочий процесс, так как не нужно привлекать большое количество людей для управления оборудованием;
  • можно обустраивать скважины даже в слабых типах грунта;
  • небольшие габариты бурильной установки.

Недостатков у данной технологии несколько. Во-первых, по мере обустройства скважины, продвижения вниз, нельзя изменять направление движения рабочей части оборудования. Во-вторых, для правильного и эффективного бурения шахты под точку водозабора, нужно подготавливать два котлована – приемный и стартовый. В-третьих, есть определенные ограничения по максимальному диаметру скважины, ее протяженности. В-четвертых, для управления оборудованием, важно обладать профессиональными навыками.

Устройство оборудования для вибрационного бурения

Оборудование для бурения скважин вибрационным методом состоит из нескольких конструкционных элементов, которые соединены между друг другом в одну систему:

  • виброзонд;
  • бурильная колонка;
  • вибромолот;
  • панель управления;
  • канат;
  • ролики;
  • компрессор;
  • лебедка;
  • электрический кабель.

Основная часть оборудования, с помощью которой выполняется процесс бурения – пневмопробойник или вибромолот.

Второе название вибрационного бурения – неуправляемый прокол грунта. Ее начинаю в подготовленном заранее котловане небольшой глубины. Несмотря на то, что положение рабочей капсулы в процессе бурения изменять невозможно, в современном бурильном оборудовании она не отклоняется от намеченного заранее курса.

Вибрационная технология бурения скважин пользуется достаточно низкой популярностью из-за своих узкоспециализированных возможностей в плане применения. На практике подобное оборудование чаще всего применяется для обустройства скважин глубиной от 25 до 30 метров в рыхлых породах грунта.

Вибрационное бурение неглубоких скважин

Технологические параметры, определяющие эффективность вибрационного бурения неглубоких скважин , — момент эксцентриков, частота и амплитуда колебаний.

При практических расчетах величина максимальной центробеж­нй силы (возмущающего усилия) от вращения двух дебалансов (в Н) определяется по формуле

F max =(Q 0 ε)n 2 10 -3 (16.5)

где Q 0 ε — суммарный статический момент силы тяжести дебалансов. Н·м; n — частота вращения дебалансов, мин-1.

Погружающая способность вибровозбудителя в соответствующем диапазоне частот оценивается величиной амплитуды колебаний (в м), которая может быть вычислена по упрощенной формуле

A=(Q 0 ε)α ∞ /ΣQ (16.6)

где α ∞ — коэффициент, учитывающий влияние массы грунта, принимающей участие в колебаниях, для суглинка и глин α ∞ =0,7÷0,85, для супесей α ∞ =0,85, для мелкозернистых песков α ∞ =0,9÷0,95; ΣQ=Q 1 +Q 2 вес вибровозбудителя Q 1 и бурового снаряда Q 2 , Н.

Скорость колебаний (в м/с)

мощность, расходуемая вибровозбудителем (в Н·м/с или Вт)

Читайте также  Чем лучше конопатить сруб бани?

(16.8)

Здесь ω=πn/30 — угловая скорость, с-1; n 1 — коэффициент демпфирования колебаний, зависящий от свойств грунта, с-1, для вязких грунтов n 1 =20÷30, для слабосвязанных n 1 B следует увеличить на 25-30%, что соответствует поправке, учитывающей потери на трение в вибровозбудителе и дополнительные электрические потери в электродвигателе.

Частота вращения дебалансов

где n у — частота ударов вибромолота в 1 с; i — отношение частоты вращения дебалансов к средней частоте ударов вибромолота.

Значение средней величины i для различных глубин скважин приведено ниже.

Глубина скважины, м

Момент эксцентриков (в Нм):

(16.10)

где Р=2Р пр — вес ударной части вибромолота, Н; P пp =1,2m и g — приведенный вес инструмента, Н; m и — масса инструмента, состоящая из массы виброзонда и бурильных труб, кг; v у = √2gA 0 — скорость движения ударной части; А 0 — максимальное расстояние от ограничителя до ударной массы (величина отскока), м; К А — амплитудный коэффициент.

Амплитудный коэффициент К А для различных значений i приведен ниже:

Мощность, расходуемая беспружинным вибромолотом на удары

(16.11)

где A=Qε/P — предельная амплитуда колебаний свободно подвешенного вибромолота, м.

Ориентировочно мощность может быть определена по формуле

Вибрационные буровые установки оснащаются вибропогружателями с постоянными параметрами, поэтому в процессе бурения параметры технологического режима не регулируются. Для эффективного бурения скважин глубиной 15-25 м вибропогружатель должен иметь следующие параметры: момент дебалансов 15-25 Нм, частоту вращения 1000-1500 мин-1, массу ударной части 300-500 кг, мощность приводного двигателя 7-10 кВт. При бурении глин, суглинков, плотных слабовлажных песков рекомендуется применять низкочастотные вибропогружатели с большим моментом дебалансов; при бурении супесей и влажных песков — высокочастотные.

В легких условиях оптимальная длина рейса (в м) находится в пределах 2-7, средних — 1,5-3,5, тяжелых — 0,3-3. Оптимальная длина рейса на 5-20% меньше предельной.

Пример 16.4 . Определить мощность, расходуемую беспружинным вибромолотом при бурении скважины диаметром 146 мм на глубине 20 м в нескальных грунтах, если масса инстумента (виброзонда и бурильных труб диаметром 50 мм) составляет mи=144 кг; средняя величина отскока, полученная с помощью виброграмм, А=4·10 -2 м, а число ударов в 1 с nуд=6.

Решение . Приведенный вес инструмента

Рпр=1,2 ·144·9,81=1695,2 Н;
Р=2·1693,4=3390,4 Н.

Скорость движения ударной части

Находим i=4; КА=9. Определяем Qε по формуле (16.10) и A

Частота вращения дебалансов в 1 мин по формуле (16.9)

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: