Фильтры для воды

Сущность вибрационного бурения скважин
Вибрационное бурение скважин применяется преимущественно при инженерногеологических изысканиях, а также при разведке россыпных месторождений, газовой разведке на нефть, глубинной эманационной съемке в относительно нетвердых породах I — IV категории по буримости.
Различают две разновидности вибрационного бурения: чисто вибрационное и ударно-вибрационное. В первом случае инструменту сообщаются вибрационные нагрузки от вибратора, во втором — ударные импульсы высокой частоты от вибромолота. Вибромеханизмы также используются для погружения свай, спуска и извлечения обсадных труб, ликвидации аварий, связанных с прихватом снаряда на забое, очистки зондов и колонковых труб, разглинизации стенок скважин, интенсификации приготовления и очистки промывочных жидкостей и др.
Сущность вибрационного бурения заключается в следующем (рис. 6.1, а). Буровой снаряд, подсоединенный к вибромеханизму, поднимается лебедкой буровой установки или автокраном в вертикальное положение, устанавливается на грунт и ему сообщаются вибрирующие нагрузки или удары высокой частоты. Под влиянием вибрирующих нагрузок частицы породы, расположенные в непосредственной близости от бурового снаряда, приводятся в колебательное движение и отделяются от массива. В результате этого значительно уменьшаются силы сцепления между частицами, а также трение между буровым снарядом и породой. Если амплитуда колебаний превышает размеры частиц, то вокруг бурового снаряда образуется подобие суспензии, и он погружается в породу (тонет) под собственным весом.
В песчаных породах влияние вибрации сказывается сильнее, чем в глинистых. В глинистых породах во время вибрации возникают тиксотропные явления, вызываемые переходом физически связанной воды в свободную. Порода разжижается. Свободная вода действует как смазка при погружении снаряда. При прекращении вибраций свободная вода переходит вновь в связанное состояние и тогда породу в образце трудно отличить от породы в массиве. Следовательно, эффективность вибрационного бурения зависит от влажности проходимых пород. При виброударном бурении разрушение происходит дроблением и вытеснением породы.

ris 6.1
Рис. 6.1. Принципиальная схема вибрационного бурения и вибропогружателей:

и — схема вибрационного бурения: 1 — буровая установка; 2 — вибратор (вибромолот); Л — бурильные трубы; 4 — виброзонд; б — схема вибромолота; в — схема вибратора; / — электродвигатель; 2 — корпус; 3—клиноременная передача; 4 — эксцентрик (дебаланс); 5 — переходник на буровой снаряд; 6--боек; 7 — наковальня; 8 — пружина

Опыт показывает, что наилучшую вибробуримость имеют сильно увлажненные супеси и суглинки, худшую—тугопластичные глины и плотные пески, наиболее плохую — крупнообломочные и насыпные грунты.
Виброметодом бурят скважины диаметром 60—146 мм на глубину 25 м. При большей глубине углубка прекращается вследствие затухания вибраций в колонне бурильных труб.
Более глубокие скважины можно бурить только с помощью погружных вибраторов.
Вибромашины и буровой инструмент
Для сообщения буровому инструменту вибрирующих и виброударных нагрузок применяют специальные вибромашины — вибраторы (рис. 6.1,в) и вибромолоты (рис. 6.1,б). В результате вращения эксцентрично смещенных масс (дебалансов) в противоположные стороны с одинаковой частотой возникают центробежные силы Q1 и Q2, горизонтальные составляющие (F1, F2) которых взаимно уравновешиваются, а вертикальные составляющие (P1, Р2) складываются. Под действием вертикальных составляющих (Р = Р1 + Р2) и происходят колебания вибратора.
Вибромолот представляет собой вибратор не имеющий жесткой связи с буровым инструментом и наносящий всей своей массой удары по наковальне. В основном при бурении применяют вибромолоты. С буровым снарядом они могут соединяться при помощи ударного патрона (рис. 4.1, е), расположенного в скважине или на поверхности.
Буровой снаряд для вибробурения состоит из бурильных труб и породоразрушающего инструмента. В качестве породоразрушающих инструментов наиболее часто применяют зонды, стаканы, грунтоносы, желонки (рис. 6.2).
Зонд (рис. 6.2, а) представляет собой трубу длиной 1—3 м с продольными прорезами, имеющую на верхнем конце переходник для присоединения к бурильным трубам, а на нижнем — заостренное кольцо (башмак). Башмак имеет толщину стенки несколько большую, чем корпус, что уменьшает трение зонда о породу. Угол заточки башмака от 15 до 60°. Режущая кромка наплавляется твердым сплавом или закаливается. В крупнообломочных породах (валунно-галечниковых) применяют зонды с зубчатыми башмаками.
Ширина прореза зависит от свойств пород и в устойчивых породах имеет угол выреза 140—160°, н менее устойчивых — 90—140°. Для очень плотных глинистых пород применяют зонды с двумя или гремя прорезами. В этом случае для увеличения жесткости трубы прорезы но длине выполняются с перемычками. При бурении и несвязных породах применяют зонды с нижним клапаном. Зонд без прорезов называется стаканом. Зонды имеют диаметры 89, 108, 127, 146 и 168 мм.
Грунтонос (рис. 6.2, б) служит для отбора проб с ненарушенной структурой в рыхлых породах. Воздух или вода выталкивается керном через отверстие, закрываемое клапаном 4. При подъеме ненарушенный образец удерживается вакуумом, образующимся под клапаном. Извлекается керн вместе с разъемной трубой 5.
Желонку используют для бурения сыпучих и плывучих пород.
Бурильные трубы применяют диаметром 50 и 63,5 мм с замковыми соединениями. При глубинах бурения свыше 25 м их усиливают наваркой продольных стержней из профильного проката с целью увеличения жесткости и уменьшения декремента затухания колебаний. При бурении скважин переносными вибробурами используют шестигранные штанги диаметром 20—25 мм. Для крепления скважин применяют обсадные трубы диаметром 108, 127, 146 мм с ниппельными соединениями и 168 мм с муфтовыми соединениями.
В комплект инструмента для вибробурения входят также различные переходники, приспособления для выполнения спускоподъемных операций, принадлежности к бурильным и обсадным трубам и т. д.

ris 6.2
Рис. 6.2. Породоразрушающий инструмент для вибробурения:

1 — переходник (вилка) с резьбой; 2 — труба; 3 — башмак; 4 — клапан; 5 — разъемная керноприемная труба

Технология вибрационного бурения
Основные технологические параметры вибрационного бурения: момент дебалансов, частота колебаний и вес вибратора; ударно-вибрационного: скорость удара, вес ударной части и частота ударов вибромолота.
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 об/мин, 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. Почти во всех случаях вибромолоты более эффективны, чем вибраторы.
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.
Процесс вибробурения рекомендуется прекращать, если скорость погружения бурового снаряда снизилась до 0,05 м/мин.
Крупнообломочные породы бурят зондами с зубчатым башмаком при проворачивании бурового снаряда вручную, а значительные толщи водоносных песков и плывунов — с одновременным креплением скважины обсадными трубами. Скважину забуривают большим диаметром с постепенным его уменьшением по мере углубки. При вибрационном бурении выход керна близкий к 100 %, последовательность залегания пород, их мощность и положение контактов определяются точнее, чем при других способах, возможно получение ориентированного керна. Для забивки и извлечения обсадных труб применяют вибромеханизмы с моментом дебалансов не менее 40 Н • м при частоте вращения 1000—1500 об/мин. Их включают на 10—15 мин с одновременным натяжением лебедкой с усилием на крюке до 10 кН.
Вибромеханизмы обеспечивают эффективное извлечение обсадных колонн при их длине до 100 м (50—70 м). Вибромеханизмы необходимо проверять перед их пуском и через каждые полчаса работы. Полный контроль всех узлов и соединений проводится через 24 ч работы. Во время работы вибромеханизма запрещается находиться в плоскости вращения его эксцентриков, соприкасаться с вибрирующими частями.