Вибрационное бурение

В последние годы в России и отчасти за рубежом получил распространение вибрационный метод бурения, который используется преимущественно при инженерно-геологических изысканиях различного целевого назначения. Виброметодом осуществляется бурение скважин диаметром от 60 до 219 мм и более на глубины от 3—5 до 50 м. Однако большинство скважин бурится на глубины, не превышающие 10—20 м инструментом диаметром 108—127 мм и реже до 168 мм.

Существует несколько разновидностей виброметода как по типам вибропогружателей, так и по конструкции бурового снаряда.

Как известно, на первых стадиях освоения вибробурения в качестве погружателей использовались вибраторы, однако в дальнейшем они в значительной мере вытеснены вибромолотами, более эффективными по своей погружающей способности, энергозатратам и весовым показателям.

Существует тенденция создания комбинированных погружателей, работающих в режиме либо вибраторах, либо вибромолота, в зависимости от физико-механических свойств буримых пород. Наряду с поверхностными вибропогружателями в России и за рубежом созданы забойные виброснаряды с пневматическим, электрическим и гидравлическим приводом. Инструмент, используемый при вибробурении, представляет собой либо колонну бурильных труб с зондом или желонкой, либо колонну обсадных труб, служащую одновременно и зондом. Погружные виброснаряды с зондами, стаканами или желонками опускают в скважину на гибкой связи, кабеле, кабеле-канате или канате со шлангом, служащим для передачи пневматической энергии.

Известно, что погружные виброснаряды расширяют возможности вибрационного метода и позволяют бурить скважины глубиной до 80 м при диаметре 89—90 мм и глубиной до 25—50 м диаметром более 200 мм.

Механизм разрушения породы при вибробурении представляет собой резание и уплотнение ее башмаком зонда под действием виброударных нагрузок генерируемых погружателем. Большой теоретический и практический интерес . представляют работы по вибробурению Д.Д. Баркана, Б.М. Гуменского и Н.С. Комарова. М.Г. Ефремова, П.Ф. Пальянова, Б.М. Ребрика, А.М. Ашавского, А.М. Яковлева, А.З. Левицкого п др.

Указанными исследователями установлено, что лучшей буримостью при виброметоде обладают пластичные влажные породы, худшей — сухие, плотные и сыпучие.

Весьма четкое толкование механизма вибробурения, объясняющее такое различие буримости, приводит А.М. Яковлев по данным М.П. Зубанова.

Согласно этим данным погружение виброзонда в породу связано с вытеснением и сжатием некоторых ее объемов. При этом происходит уплотнение породы в массив и освобождение из пор свободной воды, которая изменяет свойства породы в зоне, прилегающей к зонду, снижая ее сопротивление как лобовое, так и действующее по боковой поверхности.

Очевидно, что в этом случае большей вибробуримостью должны обладать пластичные и увлажненные породы. По мере увеличения плотности, снижения пластичности и влажности уменьшается и вибробуримость. Согласно результатам, полученным А.М. Яковлевым, вибробуримость (к) глин изменяется в пределах 05 меньше k больше 1,7, т. е. более чем в три раза, суглинков в пределах 2 меньше k больше 1,2, песков 0,26 меньше k больше 0,32 или менее чем в 1,3 раза.

Авторы большинства упомянутых работ отмечают, что от физико-механических свойств пород зависит не только величина механической скорости, но и продолжительность ряда операций, существенно влияющих на производительность процесса вибробурения в целом.

Так. опыт бурения в Мосгоргеолтресте и других организациях свидетельствует, что в обводненных песках и суглинках зонд может быть погружен на 2—3 м и более, в легких суглинках и глинах на 2 м в малопластичных глинах и суглинках на 0,5—1 м, в алевритах и алевролитах на 03—0,5 м.

Незначительна длина рейса также в сухих песках.

При диаметре зонда 47 мм рекомендуется ограничивать длину рейса в песках до 0,7—0,8 м, в пластичных суглинках до 0,6— 0,2 м, в непластичных суглинках и глинах 0,1-0,5 м и в тяжелых вязких глинах 0,2 м и менее (10).

Скорость углублении снаряда при вибробурении за одни удар в течение рейса снижается в связи с увеличением сил трения препятствующих поступлению породы в зонд. Б.М. Ребрик приводит, график (рис. 34), наглядно иллюстрирующий это явление. Бурение при этом осуществлялось в суглинках вибромолотом БТ-9 на 50-мм бурильных трубах. По мере увеличения глубины скважины длина уходки сокращается, так как более интенсивно снижается скорость в течение рейса.

Отмечено, что возможная длина рейса зависит от диаметра зонда и возрастает при его увеличении. Вероятно это явление так же, как и при ударно-забивном методе, вызвано более интенсивным нарастанием свайного эффекта в зондах малого диаметра в связи с уплотнением породы под действием вибрации.

Существует точка зрения, что непрерывное вибрационное. воздействие на зонд из условий опробования допускается в песчаных породах не более 2—3 мин, в глинистых — не более 5—7 мин. Это обстоятельство также отражается на рейсовой скорости.

Анализируя особенности вибрационного бурения, нельзя не отметить, что при этом методе обеспечивается возможность получения более детального и представительного геологического разреза, чем при некоторых других способах. Специальные исследования, выполненные многими организациями с целью определения, представительности керна при вибрационном бурении, свидетельствуют о том, что выход керна близко к 100%, последовательность залегания пород, их мощность и положение контактов определяются точнее, чем при бурении ручными комплектами, а гидрогеологические наблюдения осуществляются с той же точностью, появляется возможность получения ориентированного керна.

Обычно вибрационное бурение осуществляется без приложения к инструменту дополнительной осевой нагрузки. Однако исходя из опыта вибрационного погружения свай известно, что оно происходит эффективно лишь тогда, когда давление на сваю, включая собственный вес, превышает некоторый предел, зависящий от вида и состояния грунтов, конструкции башмака и режима вибрации. При дальнейшем увеличении давления скорость погружения достигает максимума. Величина эффективного предела давления составляет 1,5—8,0 кГ/см2, после чего увеличение скорости не происходит.

Имеются сведения о бурении виброметодом скважин диаметром 250—500 мм до глубины 7 м с применением зондов или желонок. Длина рейса составляет при этом около 1 м. В связных грунтах в снаряд для снижения сил трения подается вода насосом производительностью 1,8 м3/ч.

Для вибрационного бурения характерно весьма интенсивное снижение рейсовой скорости по мере увеличения глубины скважин (рис. 35), которое характеризуется значениями начальной скорости и декремента затухания (табл. 72), полученными в результате хронометражных наблюдений при бурении вибропогружателями БТ-9 и В-500.

Анализ табл. 72 показывает, что наиболее высокие начальные скорости имеют место в пластичных породах III группы, в породах II и IV групп скорости примерно одинаковы, в песках I группы достигнуты наименьшие скорости.

Полученные нами данные (табл. 72) подтверждают выводы Л.М. Яковлева относительно разницы между максимальными и минимальными значениями вибробуримости, так как величины начальных механических скоростей в песках различной влажности отличаются крайне незначительно, а в пластичных глинистых породах эта. разница достигает 1,5—2 раза по сравнению с сухими плотными глинами.

Указанное соотношение буримости иллюстрируется также табл. 73, составленной нами по данным Б.М. Ребрика и А.М. Григорьева, в которой содержатся значения механических скоростей (м/мин) вибробурения, достигнутых в различных породах.

Рост скоростей при бурении вибратором BO-10 вызван повышением возмущающего усилия до 9200 кГ*м против 1500—3500 кГ*м в остальных вибропогружателях. На основании опыта эксплуатации установки СВА-2 в Центрально-Казахстанском ГУ при поисках золота также отмечают, что породы по скорости вибробурения распределяются в порядке ее уменьшения следующим образом: каолиновая кора выветривания, легкая влажная глина и суглинок, тяжелая влажная глина, плотные сухие супеси и суглинки. В сухих супесях и суглинках обычно не удастся пробурить на глубину более 0,5—1 м.

В Южной Африке при бурении скважин глубиной около 1 м диаметром 100 мм с использованием в качестве вибропогружателя мотоперфоратора «Кобра» скорость составляла в мягких песчано-глинистых породах 0,5 м/мин в торфах 0,4 м/мин, в гравийных отложениях 0,25 м/мин.

В США при использовании вибратора с возмущающим усилием 700 кГ при 3600 об/мин была получена скорость бурения 76 мм грунтоносом с тонкостенной пластмассовой гильзой в водонасыщенных песчаных отложениях 1,5 м/мин.

Величина декремента затухания зависит от падения механической скорости при увеличении глубины скважин, величины уходки за рейс, диаметра и конструкции бурового инструмента и некоторых конструктивных особенностей установок.

Два первых фактора в значительной степени зависят от физико-механических свойств буримых пород и поэтому интенсивность падения рейсовой скорости в породах различных групп также различна.

Отмечены случаи, когда на интервале 0—10 м механическая скорость снижается в 10 раз, хотя при этом ее абсолютное значение остается достаточно высоким.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что для пластичных влажных пород III группы при бурении скважины диаметром 127 мм падение скорости составляет 22 м/ч на 1 м при начальных скоростях 55 м/ч.

При бурении по сухим плотным и сыпучим породам максимальная механическая скорость бурения значительно меньше, и ее падение с глубиной происходит более интенсивно.

Изменение механической скорости бурения в зависимости oт глубины скважины подчиняется зависимости. приведенной Б.М. Ребриком

где ny — число ударов вибромолота; D и С — коэффициенты зависящие от свойств породы и конструкции инструмента.

Следовательно, при прочих постоянных условиях скорость vб=k/VH, что подтверждается графиком (рис. 36), составленным по данным бурения вибромолотом В-500 зондами диаметром 108— 168 мм на 50 мм бурильных трубах в песчано-глинистых отложениях.

Явление падения механической скорости с. глубиной объясняется изменением соотношения возмущающей силы вибропогружателя и массы колонны бурильных труб по мере наращивания последней.

Существует точка зрения, что наибольшая скорость погружения может быть получена, когда отношение веса вибромассы к возмущающей силе находится в пределах 0,4.

Естественно, что одновременно с увеличением глубины происходит снижение жесткости колонны, вызывающее уменьшение эффективности передачи вибрации с поверхности к забою скважины, а также возрастает трение труб о стенки ствола.

М.Г. Ефремов указывает, что гибкость 50-мм труб при увеличении глубины с 14 до 20 м возрастает с 440 до 625 кг-1 см-2.

Падение механической скорости вибробурения в чистом виде было прослежено и по данным испытаний вибромолота БУВ-2 конструкции СКВ МГ России (рис. 37), когда осуществлялось погружение колонн обсадных труб в песчано-глинистых отложениях и скорость снизилась с 1 до 0,10—0,05м/мин в интервале 8—16 м в однородных породах (глины).

Расчет, проведенный методом структурных моделей при использовании математических машин непрерывного действия лабораторией электромоделирования СКВ для бурения зондами диаметром 76 и 108 мм на бурильных трубах и для погружения 168-мм обсадной колонны, также подтвердил что по мерс увеличения глубины скважины происходит снижение механической скорости, интенсивность которого возрастает при увеличении диаметра снаряда и числа ударов (рис. 38).

Особенно интенсивно происходит снижение скорости с глубиной при бурении в плотных породах с использованием вибраторов. Исследования, проведенные М.Г. Ефремовым, подтверждают преимущества вибромолота по сравнению с вибратором (рис. 39) в аналогичных условиях (табл. 74).

Применение вибромолота в плотных грунтах наряду с повышением механической скорости обеспечивает также увеличение длины рейса (рис. 39). При подъеме снаряда с вибромолотом включением на обратный удар усилие извлечения уменьшается на 5—7 до 2 Т.

Характерно, что интенсивность снижения скорости в значительной степени зависит от веса и жесткости штанг.

Снижение веса бурильных труб при одном и том же диаметре ведет к увеличению скорости бурения и уменьшению интенсивности ее затухании в течение рейса. Это явление отмечено Д.Н. Баштаковым при бурении вибробуром УВБ-3 с использованием двух типов бурильных труб диаметром 25 мм (рис. 40). Авторы указывают, что скорость и максимальная глубина бурения при работе облегченными штангами увеличивались на 25—30%.

Вместе с тем снижение веса бурильных труб путем уменьшения их диаметра приводит к противоположным результатам, так как связано с потерей устойчивости колонны и увеличением ее гибкости. Наиболее сильно снижение жесткости колонны сказывается на величие декремента затухания, который при использовании 50-мм труб вместо 60—70-мм возрастает в 1,5-2,0 раза (см. табл. 72).

Увеличение диаметра бурения, в свою очередь, ведет к росту декремента затухания, особенно при использовании менее жесткой колонны. Отмечено, что уменьшение диаметра бурения при проходке суглинков с 168 до 127 мм, т. с. на 32%, увеличивает скорость бурения на 65—70%.

Одновременно с увеличением диаметра бурения возрастают тяговые усилия на извлечение снаряда.

Эти обстоятельства соответствующим образом сказываются и на рейсовой скорости (рис. 41). Так, в аналогичных условиях средняя рейсовая скорость при бурении в породах II группы скважины диаметром 168 мм составляет 1,8 м/ч; а для диаметра 127 мм — 3,8 м/ч, в породах IV группы — для диаметра 108 мм — 0,44 м/ч, а для 89 мм — 1,05 м/ч.

Следует отметить, что на погружение обсадных труб виброметодом вслед за зондом затрачивается обычно столько же времени, сколько и на бурение.

В тех случаях, когда обсадные трубы опережают забой, механическая скорость углубления примерно в 2 раза ниже, чем при бурении зондом в незакрепленном участке скважины.

Физико-механические свойства пород сказываются на величине рейсовой скорости не только в связи с изменением механической скорости, а еще и потому что определяют уходку за рейс, а следовательно, и количество спуско-подъемных операций, которые занимают до 60% времени сооружения скважины.

В результате дополнительного влияния спуско-подъемных (включая срыв зонда) и некоторых вспомогательных операций (очистка зонда, прекращение вибрации в течение рейса и др.) рейсовая скорость вибробурения снижается значительно интенсивнее механической скорости.

Так, на интервале 5—25 м средняя рейсовая скорость снижается в 3—20 раз в зависимости от свойств пород. В меньшей степени она снижается во влажных пластичных глинистых породах III группы (менее чем в 5 раз при бурении зондом 127 мм).

В породах IV группы в аналогичных условиях на том же интервале происходит снижение рейсовой скорости до 10 раз. В I группе при меньших абсолютных значениях скорости ее снижение не превышает 3—5 раз, а во II группе — достигает 5—20 раз. Принимая во внимание абсолютные величины скоростей, можно считать, что наиболее производительно вибробурение в породах III группы и наименее производительно — в породах I группы.

Необходимо отметить, что вибробурение при проходке водонасыщенных пород I группы типа плывунов связано со специфическими трудностями, которые вызываются воздействием эффекта вибрации на физико-механические свойства грунта. В процессе вибрации изменяется плотность породы, нарушаются внутренние связи, перераспределяются частицы с различным удельным весом, а твердые частицы выпадают из взвеси, которую представляет собой плывун. Последнее обстоятельство играет особенно большую роль для оценки эксплуатационных возможностей виброметода и определения конструктивного облика установок. Это объясняется тем, что песок, выпадающий из взвести при длительном воздействии вибрации, образует в скважине или в трубах плотные пробки, препятствующие дальнейшему углублению. Ликвидация пробок требует значительных затрат времени, достигающих 300% по сравнению с длительностью обычного рейса так как скорость вибрационного бурения в них крайне незначительна. Иногда для разрушения пробок приходится использовать инструмент ударного бурения.

Кроме того, возможны осложнения, связанные с прихватом снаряда в обсадной колонне при перебурке пробок. В связи с изложенным для проходки водонасыщенных пород в виброустановках более рационально использовать ударное бурение желонками, применяя вибропогружатель только для обсадки трубами лишь по мере углубки скважины с опережением забоя башмаком обсадной колонны на 0,3—0,5 м.

Породы II и IV групп по буримости виброметодом занимают промежуточное положение, причем более высокие скорости имеют моего в породах IV группы.

Расчет средней скорости бурения скважин глубиной до 10 м в породах с различными физико—механическими свойствами, проведенный по практическим данным Мосгоргеотреста, подтверждает выявленное соотношение категорийности пород.

В зависимости от типа вибропогружателя скорость бурения на глубинах до 10 м в породах II группы составляет 4—40 м/ч, в породах III группы — 48—120 м/ч, в IV группе — 18—50 м/ч.

Следует отметить, что затраты времени на бурение по усредненному разрезу, учитывающему все группы пород, полученные нами в результате расчета, проведенного на основании данных хронометража, весьма близки к фактическим средним цифрам, как это видно из табл. 75.

Для оценки эффективности виброметода необходимо рассмотреть, как обстоит дело с затратами мощности и ее использованием при бурении скважин различной глубины в разнообразных породах.

В настоящее время преимущественное распространение в практике геологоразведочных работ получили вибропогружатели, имеющие установленную мощность в пределах 7—8 квт, используемые для бурения зондами на штангах. Для привода электродвигателя такого вибромеханизма необходим генератор мощностью не менее 14—18 квт и, следовательно, двигатель внутреннего сгорания мощностью 40—50 л. с. Обычно для привода генератора используется транспортный двигатель автомашины, развивающий на стационарном режиме 50—70 л. с.

Максимальная мощность при вибробурении необходима для привода лебедки, так как усилие срыва зонда P достигает 3—7 Т, а скорость подъема v должна быть в пределах 0,5—1,0 м/сек. Мощность может быть найдена по формуле

и обычно равна 50—70 л. с.

Следовательно, установки для вибробурения имеют энерговооруженность, составляющую применительно к скважинам глубиной 5—25 м от 10 до 2 л. с/м.

Стремление снизить влияние глубины скважины на величину рейсовой скорости привело к новым технологическим направлениям в вибрационном бурении. Это, с одной стороны, бурение обсадной колонной с применением съемного керноприемника на канате и, с другой — применение забойных вибропогружателей со снарядами различного типа. Первое направление получило конструктивное воплощение в установке ЭВБУ-20, которая обеспечила производительность от 8 до 24 м/смену, т. е. 1,8—5,5 м/ч в зависимости от глубины и характера пород. Эти показатели ниже результатов обычного вибробурения, когда средняя рейсовая скорость при глубине 15 м составляет около 8 м/ч, а при глубине 20 м — около 6 м/ч, что объясняется резким уменьшением механической скорости в связи с возрастанием массы снаряда и сил трения, действующих на его поверхность.

Характерно, что механические скорости при работе вибромолотом установки БУВ-2 находятся в пределах 0,6—2,8 м/ч в породах I группы на глубине 8—12 м при диаметре труб 168 мм в то время, как даже рейсовая скорость бурения зондом диаметром 168 мм на штангах в аналогичных условиях составляет 3—4 м/ч.

Второе направленно имеет в виду исключить снижение эффекта вибрации с глубиной и сократить затраты времени на спускоподъемные операции путем замены колонны бурильных труб гибким шлангом с металлическим тросом или кабель-канатом, на котором опускается в скважину забойный вибропогружатель с пневматическим или электрическим приводом.

Такая система использована в ряде отечественных и зарубежных буровых установок. В России одной из первых установок этого типа является бур-зонд конструкции Сухова.

Однако в виброснаряде Сухова, созданном на базе бетонолома И-37Л, не обеспечена герметичность, мала ударная масса, исключена возможность реверса удара. В связи с несовершенством вибропогружателя эта установка обеспечивала скорости 6—7 м/ч в породах II группы и была эффективна на глубинах до 5—10 м при бурении скважин малого диаметра.

Ряд забойных погружателей с пневматическим приводом создан Н.А. Лозовским. Конструкция таких погружателей весьма проста, так как и них отсутствуют подшипники, шестерни, валы и электродвигатели.

Удар в этих механизмах наносится подвижным цилиндром, что позволяет увеличивать величину ударной массы. Кроме того, при прихвате буровой зонд извлекается с одновременным включением вибромолота и натяжением троса. Посредством включения вибромолота механизируется также разгрузка зонда от породы.

Эффективный КПД виброжелонок, работающих в режиме вибромолота, составляет 10—14% при среднем давлении в рабочей камере, равном 64% от давления в сети.

В табл. 76 приведен расход воздуха, необходимый для работы виброжелонки при различном давлении.

Относительный общий пес. приходящийся на 1 мм амплитуды колебаний, составляет у виброжелонок 5,9—18,0 кг против 12,8— 225 кг у поверхностных вибропогружателей.

В полевых условиях были проведены сравнительные испытания виброжелонок с пружинами и без пружин, работающих в вибрационном и виброударном режиме, имеющих верхнее и нижнее ограничение хода.

Было установлено, что наиболее эффективным для практического использования являются вибрационный и виброударный беспружинный погружатели. Вибрационный способ позволяет с хорошими показателями осуществлять бурение в слабых особенно водонасыщенных грунтах, когда скорость достигает 6 м/мин.

В породах средней плотности она снижается до 0,4 м/мин при длине рейса 0,4 Al. В плотных породах скорость и проходка за рейс падают до 0. Отмечено, что рост амплитуды колебаний при частоте 500—1500 в 1 мин увеличивает, скорость углубления. Само по себе изменение частоты в указанных пределах влияния на скорость не оказывает. Вибромолот без пружин обеспечивает проходку за рейс в сухих плотных глинах до 0,5 м, в плотных гравелистых грунтах 0,4 м, в породах средней плотности 1,5 м. Погружение 1,5 м зонда в водонасыщенные породы происходит за 20—30 сек, в тяжелых условиях время рейса нецелесообразно увеличивать более 1,5—2 мин. Характерно, что виброжелонка с частотой колебаний 420—500 в 1 мин и амплитудой 17—24 мм обеспечивает повышение скорости в 1,5 раза по сравнению с желонкой, имеющей частоту 1000—1400 в 1 мин и амплитуду 4—18 мм. Указанные особенности вибрационного и виброударного режимов обусловливают целесообразность их сочетания в одном снаряде, что предусмотрено в виброжелонках ВЖ-150.

Производительность бурения виброжелонками составляла в процессе испытаний 12,3 м/смену против 8 м/смену, достигнутой при ударно-канатном бурении.

Скорость бурения в породах IV группы стаканом диаметром 250 мм составляла 3,7—5,6 м/ч, в гравийных отложениях II группы 3,56 м/ч, а при работе желонкой диаметром 219 мм 7,14 м/ч при глубинах более 25 м.

Время чистого бурения находилось в пределах 18—25%. До 50% времени затрачивалось на посадку и извлечение обсадных труб. Средняя скорость бурения с обсадкой трубами диаметром 219 и 250 мм приведена в табл. 77.

С целью повышения производительности для обсадки скважин использовался проходном вибратор BO-10, что позволило увеличить скорость бурения на 20—40% при сравнении с забивкой труб.

В ФРГ создана установка с забойным пневматическим вибропогружателем и пневматическим кольцевым молотом для механизации обсадки скважины, которая эффективно используется для бурения скважин диаметром 200 мм на глубину до 80 м.

Важной особенностью этой установки является наличие ударного механизма кулисного типа для работы желонкой одновременно с посадкой труб.