 |
8.6. Шнековое бурение
|
|
|
|
а б
Рис. 8. 20. Варианты связи вибропогружателя с буровым снарядом
а – вибратор, б – вибромолот
Рис. 8. 21. Схема работы вибропогружателя
а – динамическая схема,
б – график колебаний величины вынуждающей силы
Максимальное по модулю значение этой силы называется вынуждающим усилием и равно
Fmax = m0∙ ε ∙ ω 2 (8. 11)
При жестком закреплении вибропогружателя к снаряду (вибробурение) предельное значение амплитуды вынужденных колебаний системы приблизительно равно
Aпред = m0∙ ε /∑ m, (8. 12)
где ∑ m - масса всех колеблющихся элементов, включая буровой снаряд.
При работе погружателя в системе вибромолота (свободное закрепление на снаряде), величина вынуждающей силы значительно превышает вес погружателя и, когда сила направлена вверх, погружатель отрывается от бурового снаряда, а затем, когда центробежные силы меняют направление, падает на верхний конец снаряда (наковальню), нанося удар. При бурении вибромолотом на грунт через буровой инструмент действуют сила тяжести инструмента, вибрация, связанная с колебаниями нагрузки на снаряд, и сила ударов вибромолота по снаряду. Энергия ударов не только позволяет интенсифицировать процесс уплотнения и раздвигания породы, как при вибробурении, но дополнительно разрушает, раскалывает твердые прослойки и включения, что существенно расширяет область вибробурения и повышает его производительность.
В отличие от вибратора, где колебания вынуждающего усилия синхронны частоте вращения дебалансов, частота ударов вибромолота, как правило, не совпадает с частотой вращения дебалансов. Это явление связано с тем, что на скорость движения ударной массы влияет ряд переменных факторов, находящихся в разных сочетаниях и фазах. Общая. скорость ударной массы в промежутках между двумя ударами определяется выражением
|
|
|
V = Vу∙ R-A∙ ω ∙ sinφ у+A∙ ω ∙ sin(φ у - φ )-(gφ /ω ) (8. 13)
где Vу - скорость в момент удара; R - коэффициент восстановления; (Vу∙ R) - это составляющая скорости движения массы за счет отскока после удара; A - высота падения (амплитуда) массы; ω - частота вращения дебалансов; φ у и φ - фаза (угол) дебалансов в момент удара и любой момент времени соответственно; A∙ ω ∙ sinφ у - скорость колебательного движения в момент удара; A∙ ω ∙ sin(φ у-φ ) – скорость колебательного движения в любой момент време (ни; gφ /ω ) - скорость свободного падения.
Поскольку при разных значениях φ, sinφ может быть положительным или отрицательным, то переменными будут знаки у второго и третьего членов суммы, определяющей скорость. Следовательно, возможно различное значение скорости в момент удара, различный отскок и различная амплитуда отскока. Учитывая, что энергия единичного удара
W=m∙ V2у/2, (8. 14)
то при разных скоростях удара будут разными и силы ударов. При определенном сочетании составляющих скорости могут происходить большие отскоки и удары, энергия которых в 2-3 раза превышает среднее значение.
За счет отскока ударная масса приобретает дополнительную скорость движения вверх, и движение вверх становится продолжительнее, чем это происходило бы только под действием вынуждающего усилия, в результате чего дебалансы успеют совершить больше половины оборота, а за все время между ударами, больше одного оборота. Выражение i=nоб/nу означает число полных и неполных оборотов, совершенных дебалансами за период между двумя ударами. В практике виброударного бурения число i обычно бывает от 1 до 8, чаще от 1 до 4. С увеличением i увеличивается энергия единичного удара и соответственно погружающая способность. Процесс изменения частоты ударов может саморегулироваться с увеличением сопротивления грунта увеличивается величина коэффициента отскока, следовательно, возрастает скорость отскока и соответственно энергия единичного удара и значение числа i, т. е. снижается частота ударов при неизменной частоте вращения дебалансов. Это явление весьма благоприятно, т. к. позволяет существенно увеличить глубину и расширить диапазон пород для виброударного бурения.
|
|
|
Технические средства вибробурения.
Буровой инструмент при вибробурении состоит из трубчатого бура, который в вибробурении называется виброзонд, и бурильных труб, соединяемых в колонну резьбовыми соединениями.
Виброзонд представляет собой трубу длиной 1-3 иногда до 5 метров имеющую на нижнем конце рабочее кольцо (башмак), а при виброударновращательном бурении специальную коронку, и на верхнем конце переходник для присоединения к бурильным трубам. Вдоль тела зонда выполняются одна или две прорези.
Рабочее кольцо виброзонда (рис. 8. 22) имеет толщину стенки несколько больше чем у трубы зонда. Это делается для уменьшения сил трения, по наружной и внутренней поверхностям зонда, о породу при его внедрении. Однако, слишком большое превышение толщины кольца приводит к увеличению лобового сопротивления, поэтому необходимо выдерживать оптимальное соотношение толщины стенок кольца и трубы зонда. Угол скоса кольца в зависимости от пород и выбирается от 15° до 60°. Для бурения в неустойчивых породах лучше делать внутренний скос, что приводит к уплотнению, породы внутри зонда и способствует удержанию ее при подъеме инструмента. В связных и плотных породах, наоборот, нужно использовать кольца с наружным скосом, поскольку в этом случае уплотнение породы внутри зонда приведет к образованию пробки и снижению углубки за рейс. Для упрочнения режущей кромки рабочего кольца ее закаливают или наплавляют твердым сплавом. Для вращательного варианта вибробурения для комбинированного разрушения породы вместо гладкого кольца на виброзонд (колонковую трубу) навинчивается специальная коронка, имеющая и скосы для вибропогружения и резцы для вращательного резания и рыхления породы (рис. 8. 22) С учетом разнообразия буримых пород виброкоронки могут изготавливаться с различным количеством и выступами резцов.
|
|
|
а б в
Рис. 8. 22. Виброзонды
а – для рыхлых пород,
б – для плотных пород,
в – коронка для вибровращательного бурения
Сам виброзонд для бурения связных устойчивых пород имеет обычно одну прорезь с углом выреза 140°-160°. Большой вырез облегчает извлечение породы из зонда. В слабых неустойчивых грунтах угол выреза зонда меньше - 90°-110°или применяется зонд с двумя узкими вырезами с разных сторон. При использовании длинных зондов для сохранения их устойчивости делают два выреза по длине, разделенных перемычкой. Для бурения в слабосвязных, сыпучих, плывучих грунтах применяют виброзонды с двустворчатым или тарельчатым (виброжелонка) клапанами. Для облегчения извлечения породы из зонда применяют разъемные или поршневые виброзонды.
В качестве бурильных труб при вибробурении применяются трубы геологоразведочного сортамента диаметрами 50 и 63, 5 мм муфтово-замкового соединения, а также трубы диаметром 60, 3 мм с приварными замками. Свинчивание и развинчивание бурильных труб при вибробурении обычно производится не ключами, как при вращательном бурении, а с помощью штырей, для чего на каждом конце трубы имеются поперечные отверстия. Один штырь служит для опоры (как подкладная вилка), другой для навинчивания или отвинчивания верхней трубы.
Для вибробурения основной частью оборудования является вибропогружатель, который может использоваться как с подручными средствами (например, автокран, любая буровая установка с мачтой и лебедкой), так и в составе специальных вибробуровых или комбинированных установок.
|
|
|
Вообще вибропогружатели делятся на две большие группы: вибропогружатели для бурения и вибропогружатели для работы с обсадными трубами. Имеется большое разнообразие тех и других (около 20), вызванное не столько технической целесообразностью, сколько ведомственной разобщенностью организаций, использующих и производящих вибропогружатели. В настоящее время для всех вариантов вибробурения широко применяется и вполне может заменить все другие беспружинный вибромолот ВБ-7 и его модификация ВБ-7М (рис. 8. 23). Эта конструкция отличается наибольшей простотой, надежностью, универсальностью (табл. 8. 9. ).
Рис. 8. 23. Вибромолот ВБ-7М
Таблица 8. 9. Характеристика вибромолотов
| Параметры | ВБ - 7 | ВБ - 7М |
| Мощность двигателя, кВт | 9, 4 | |
| Статический момент массы дебалансов, Нм | ||
| Угловая скорость вращения дебалансов, с-1 | 141. 3 | |
| Максимальная вынуждающая сила, кН | ||
| Максимальный ход ударной части, м | 0, 135 | 0, 15 |
| Масса, кг |
При значительных объемах вибробурения целесообразно использовать специальные вибробуровые установки, для эпизодического применения вибробурения могут использоваться комбинированные буровые установки, в которых вибробурение является одним из нескольких видов бурения. Из специальных вибробуровых установок наибольшее распространение имеет установка АВБ-2М (агрегат вибрационного бурения), реже встречается более тяжелая установка АВБ-3, последняя может оборудоваться для виброударновращательного бурения, в системе Мосгоргеотреста применяются наряду с указанными установки ВБУ. Из комбинированных установок для вибробурения наиболее часто применяется установка БУЛИЗ-15 (буровая установка линейных изысканий).
Вибробуровые установки, как правило, выполняются самоходными на базе автомашин (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131). Кроме автомашин в состав установки входят: мачта, обычно однотрубчатая, электрогенератор с приводом от двигателя автомашины или от дополнительного дизельного двигателя (АВБ-3), лебедки, механизма подъема мачты (табл. 8. 10). В установке АВБ-3 может дополнительно устанавливаться роторный вращатель и цепной механизм подачи для вибровращательного бурения. Устройство вибробуровой установки и некоторых ее узлов приведены на рис. 8. 19.
Таблица 8. 10. Основные показатели буровых установок для вибробурения
| Параметры | АВБ-2М | АВБ-3 | ВБУ | БУЛИЗ-15 |
| Глубина виброударного бурения, м | ||||
| Глубина вибровращательного бурения, м | - | - | - | |
| Тип вибропогружателя | ВБ-7, ВБ-7М | ВБ-7М | ВБ-7М | с приводом от гибкого вала |
| База | ГАЗ-66 | ЗИЛ-131 | ГАЗ-66 ЗИЛ-131 | УАЗ-469 |
| Масса, кг. | - |
|
|
|
Технология вибробурения
Технология вибробурения при относительной простоте, тем не менее, включает значительное число факторов, определяющих эффективность проходки скважин. К таким факторам относятся: выбор разновидности бурения (вибрационное, виброударное, виброударновращательное), выбор способа проходки скважины (с открытым стволом или с одновременным креплением скважины обсадными трубами), конструкция скважины, выбор вибропогружателя и его параметров, режим бурения, выбор величины углубки за рейс в конкретных условиях.
Выбор разновидности вибробурения производится в зависимости от вибробуримости грунтов данного разреза. Наилучшей вибробуримостью обладают сильноувлажненные супеси и суглинки. Плохо поддаются вибробурению тугопластичные глины и плотные сухие пески. Особенно сложно вибробурение в обломочных насыпных грунтах и при наличии твердых прослоек. Чисто вибрационное (безударное) бурение применяется редко, только в наиболее благоприятных условиях - однородные увлажненные супеси, суглинки. Виброударное бурение является основным преобладающим видом вибробурения и может эффективно применяться при бурении в большинстве пород I - IV категорию по буримости. Виброударновращательное бурение может успешно применяться в разрезах с крупнообломочными грунтами и при наличии твердых прослоек.
При бурении в устойчивых породах устье скважины оборудуют направляющей трубой на глубину 2-3 м и далее бурение ведется без крепления скважины трубами. В разрезах, представленных сильнообводненными, сыпучими и другими неустойчивыми породами бурение ведется с закреплением неустойчивых интервалов обсадными трубами сразу после их проходки, а в особо сложных условиях, особенно при разведке россыпных месторождений, с одновременным или опережающим закреплением скважины обсадными трубами, при этом погружение труб осуществляется также виброметодом.
Конструкции скважин вибробурения, их ступенчатость, кроме необходимости закрепления неустойчивых интервалов обсадными трубами, определяется также условиями эффективного погружения зонда. Конечный диаметр скважины зависит от необходимых размеров образца породы (керна), но обычно не менее 89 мм, часто 108 мм. Далее снизу вверх скважина может иметь ступенчатую конструкцию с переходом на большие диаметры. Теория и практика показывают, что при небольшой глубине скважины эффективнее (выше скорость бурения) применять зонды максимального размера диаметром 168 или 219 мм, а с увеличением глубины скважины наибольшая скорость получается при последовательном уменьшении диаметра зондов. Эта закономерность объясняется тем, что таким путем поддерживается рациональный вес бурового инструмента по мере добавления бурильных труб. Из этих соображений рациональная конструкция скважин вибробурения при глубине более 10 м рекомендуется ступенчатой.
Выбор вибропогружателя и параметров режима бурения взаимосвязаны. При вибро и виброударном бурении главными параметрами режима являются: осевая нагрузка, определяемая весом бурового инструмента и вибропогружателя, вынуждающее усилие, частота колебаний и частота ударов, максимальная амплитуда колебаний и возможный ход ударной части. В настоящее время для вибро и виброударного бурения в большинстве случаев используются вибромолоты ВБ-7 и ВБ-7М, так что выбор вибропогружателя и параметров режима бурения сводится к выбору из этих двух механизмов (см. табл. 8. 9). Единственный параметр режима бурения, который поддается регулировке в небольших пределах - частота вращения дебалансов. При электроприводе ее можно изменять в пределах ±5% за счет изменения частоты вращения приводного двигателя и соответственно напряжения на генераторе. Выбор этого параметра зависит от плотности грунтов - для слабых грунтов лучше увеличивать частоту вращения дебалансов, для плотных снижать. Регулировка частоты вращения дебалансов используется для влияния на отношение частоты вращения к частоте ударов (i=nоб/nу) с целью поддержания устойчивого i в пределах 1 - 4, причем с увеличением глубины скважины и плотности пород желательно увеличивать i, чтобы получить большую силу удара. Большие перспективы в эффективном управлении этими параметрами режима (частота вращения, частота ударов) связаны с использованием для привода вибропогружателя гидродвигателя.
Для вибробурения, как и для ряда других видов бурения, характерно снижение скорости углубки по мере внедрений зонда в породу, что связано с нарастанием сил трения и уплотнением грунта внутри зонда. В начале рейса углубка идет быстро, затем механическая скорость бурения заметно снижается. Следовательно, существует момент, когда становится целесообразно прекратить бурение и поднять снаряд на поверхность, извлечь образец породы и вновь спустить снаряд в скважину и вести бурение с высокой скоростью. При бурении с затухающей механической скоростью существует оптимальная углубка за рейс, соответствующая максимальной рейсовой скорости и, следовательно, производительности бурения. Напомним, что
Vp=hp/(tб+tвсп)=Vм/(1+tвсп/tб), (8. 15)
где hp - углубка за рейс, м.; tб - время чистого бурения; tвсп - время на вспомогательные операции.
Отрицательной характерной особенностью вибробурения является резкое снижение механической и рейсовой скоростей бурения с увеличением глубины скважины (рис. 8. 24). Оптимальная величина углубки за рейс зависит от свойств буримых пород и от глубины скважины. При небольшой глубине и в легких породах углубка за рейс может составлять 3 -5 метров, с увеличением глубины и плотности пород рациональная углубка за рейс снижается до 0, 6-0, 2 метра (табл. 8. 11. ).
Рис. 8. 24. Зависимость механической скорости вибробурения
от текущей углубки (а), от глубины скважины (б), и зависимость рейсовой
скорости вибробурения от глубины скважины (в)
Таблица 8. 11. Примерные показатели виброударного бурения
|
Показатели | Интервал глубин, м | Буримостъ пород (категория по буримости) | |||
| I | II | III | IV | ||
| Механическая скорость бурения, м/ч | 0-4 4-10 10-20 4-10 10 - 20 | ||||
| Оптимальная углубка за рейс, м | 0-4 4-10 10-20 | 5, 0 2, 5 2, 0 | 2, 5 1, 5 1, 0 | 1, 5 1, 0 0, 6 | 0, 8 0, 4 0, 2 |
| Рейсовая скорость бурения, м/ч | 0-4 4-10 10-20 | 15 7 | 1, 5 0, 5 | ||
Учитывая, что с увеличением углубки за рейс происходит значительное уплотнение грунта внутри зонда, т. е. искажаются механические свойства, в отдельных случаях при высоких требованиях к качеству образцов углубку за рейс снижают меньше оптимальной.
При вибробурении значительную трудоемкость представляет процесс извлечения породы из зонда. Обычно извлечение породы из зонда выполняют вручную ломом или специальными лопатками. Невязкие грунты эффективно извлекать, передавая вибрацию на подвешенный и присоединенный к вибратору зонд, т. е. как бы вытряхивать грунт. Одним из путей облегчения и ускорения извлечения породы из зонда является применение разъемных виброзондов и поршневых виброзондов. В первом случае наполненный грунтом зонд поднимается на поверхность, отвинчивается башмак, зонд разнимается на две продольные части и из него без труда извлекается ненарушенный образец породы. Во втором случае в верхней части внутри зонда закреплен поршень с поперечным отверстием, совпадающим с двумя продольными прорезями в теле зонда. После подъема зонда с грунтом на поверхность в отверстие поршня вставляется стержень, закрепленный к раме станка, и зонд лебедкой станка тянется вверх. Поршень, удерживаемый стержнем, выдавливает образец грунта из зонда.
Виброударновращательное бурение
При встрече твердых прослоек, крупнообломочных, мерзлых грунтов, а также с увеличением глубины скважины в плотных породах виброударное бурение становится весьма затруднительным или совсем невозможным. Однако область вибробурения может быть значительно расширена, как по породам, так и по глубинам, если совместить виброударное воздействие с медленным вращением инструмента. При виброударновращательном бурении за счет вращения происходит резанье и разрыхление грунта, а за счет виброударных импульсов идет интенсивное внедрение инструмента в этот разрыхленный слой грунта. Твердые включения при этом разрушаются резцами или оттесняются ими в сторону.
Для осуществления вибровращательного бурения в состав буровой установки добавляется роторный вращатель и специальная трехгранная ведущая труба. Для вращения, поскольку оно осуществляется без промывки, требуется большой крутящий момент, достигающий 7000 Нм для снижения силы трения ведущей трубы в роторе, вращение от ротора на ведущую трубу передается через роликовые элементы качения, что позволяет обходиться без механизма принудительной подачи.
Для комбинированного разрушения породы вместо гладкого рабочего кольца (башмака) на виброзонд навинчивается специальная коронка, имеющая и скосы для виброударного внедрения, и твердосплавные резцы для резанья и рыхления породы (рис. 8. 22). С учетом разнообразия буримых пород изготавливаются специальные коронки с различным количеством и выступом резцов.
Сочетание вращения с виброударным воздействием не только расширяет область применения вибробурения, но и увеличивает скорость и производительность бурения в 3-4 раза по сравнению, как с вибробурением, так и с медленновращательным бурением.
8. 6. Шнековое бурение
Шнековое бурение получило название от слова шнек (нем. Schnecke-улитка, завиток, бесконечный винт). Оно является разновидностью вращательного бурения, отличающейся тем, что удаление с забоя и транспортирование по стволу скважины разрушенной породы осуществляется одновременно с углубкой скважины не потоком очистного агента, а за счет свойств вращающейся шнековой колонны. Обычно шнековое бурение ведется сплошным забоем, в отдельных случаях, при необходимости, шнековое бурение может вестись с отбором ненарушенных образцов породы (керна) с помощью магазинных шнеков или съемных грунтоносов.
Шнековое бурение является наиболее распространенным и наиболее универсальным из всех видов неглубокого бурения. Оно применяется при бурении скважин глубиной до 50 - 80 м в породах от I до V1 категорий по буримости, в том числе в гравийно-галечных и в породах с включением небольших валунов. Широкому распространению шнекового бурения способствует также такое его достоинство, что при бурении в большинстве пород происходит попутно закрепление стенок скважины поднимаемой породой.
Основные области применения шнекового бурения: сейсморазведка (бурение для погружных зарядов ВВ), взрывные скважины при открытой разработке угольных карьеров, инженерно-геологические, гидрогеологические, мелкие водозаборные скважины, разведка стройматериалов и некоторые другие геологоразведочные скважины. Шнековое бурение может успешно применяться в комбинации с геологоразведочным бурением, для забуривания скважины в начальном интервале, представленном рыхлыми наиболее трудными для бурения с промывкой породами.
Физические основы шнекового бурения.
Физику процесса шнекового бурения отличают три важных момента охлаждение породоразрушающего инструмента, транспортирование разрушенной породы на поверхность и закрепление стенок скважины поднимаемой породой.
При вращательном бурении неизбежно трение породоразрушающего инструмента о породу и его нагревание. Чем быстрее вращение и больше силы трения, тем больше выделяется тепла и сильнее нагревается инструмент. При недостаточном охлаждении, т. е. отводе тепла будет происходить значительный износ инструмента или даже его расплавление - «прижег». В шнековом бурении, при отсутствии потока очистного агента, охлаждение породоразрушающего инструмента осуществляется отдачей тепла непосредственно породе, а эффективность охлаждения обеспечивается высокой скоростью бурения. В твердых скальных породах, где скорость бурения низка из-за недостаточного охлаждения инструмента шнековое бурение не может применяться.
Транспортирование разрушенной породы осуществляется по принципу шнекового транспортера. Такие транспортеры для перемещения сыпучих материалов известны давно и широко применяются в различных областях техники: в цементной промышленности, на зерновых элеваторах, в сельхозмашинах и в обычной бытовой мясорубке. Как работает шнековой транспортер при бурении скважины?
Шнек состоит из центрального трубчатого стержня, к которому приварена спиральная реборда, представляющая собой винтовую поверхность. При бурении вертикальных скважин элементарный участок винтовой поверхности может быть представлен как наклонная плоскость с углом наклона – α, в плане представляющая собой диск (рис. 8. 26). Частица породы, отделенная долотом, попадает на спираль шнека и начинает вращаться вместе с ним. За счет вращательного движения на частицу действует центробежная сила, отбрасывающая ее от центра вращения, а поскольку движение частицы по радиусу ограничено стенкой скважины, то центробежная сила прижимает частицу к стенке, и со стороны стенки скважины на частицу будет действовать реакция, равная центростремительной силе: Nc=mRω 2, где m – масса частицы, ω – частота вращения шнека, R – максимальный радиус шнека. На частицу породы также действует сила тяжести G=mg. Вращению частицы вместе со шнеком будет препятствовать сила трения ее о стенку скважины, вызванная центростремительной силой и равная Fc=fcNc, где fc – коэффициент трения породы о стенку скважины (порода по породе). Под действием силы трения о стенку частица породы частично или полностью удерживается от вращения, а точка шнека, на которой лежала частица, продолжает вращаться, в результате чего возникает относительное перемещение частицы и шнека. Этому перемещению будут препятствовать силы трения частицы о поверхность реборды шнека и составляющая силы тяжести, направленная вниз вдоль спирали (по наклонной плоскости) шнека. Всего сил, действующих вниз вдоль спирали шнека три: составляющая веса FG=mgsinα, сила трения от нормальной составляющей веса FшG=fшmgcosα и сила трения от нормальной составляющей, (прижимающей частицу к поверхности шнека), от силы трения частицы о стенку скважины Fшc=fшNFc=fшFcsinα =fшfcmRω 2sinα.
|
|
|
