15.01.2021

Бурение методом задавливания


Проходка скважин посредством задавливания инструмента в породу является новым методом и имеет в настоящее время сравнительно ограниченное применение.

Этот метод используется преимущественно при эманационной съемке и для проведения статической пенетрации при инженерно-геологических изысканиях.

Глубина скважин при бурении методом задавливания достигает 25 м, диаметры обычно не превышают 50—80 мм.

Внедрение наконечника в породу при задавливании происходит в результате уплотнения се в стенки образующегося ствола скважины. Естественно, что при этом существенную роль играют физико-механические свойства пород и главным образом их плотность и влажность, поскольку последняя определяет величину сил трения, препятствующих углубке, наряду с лобовым сопротивлением наконечнику.

В качестве породоразрушающего инструмента при задавливании обычно используется снаряд в виде опрокинутого конуса. Наиболее целесообразно применение снаряда, имеющего форму усеченного конуса, так как в процессе бурения перед ним образуется породный конус с углом при вершине, зависящим от физико-механических свойств грунта. Существуют два варианта трактовки процесса, происходящего в грунте при погружении в пего конуса. В первом предполагается, что сопротивление грунта соответствует предельной несущей способности среды. Процесс погружения сопровождается развитием площадки сдвига и поверхностей скольжения, которые либо развиваются внутри массива, либо достигают его поверхности и завершаются выпиранием. Другая трактовка заключается в том, что при погружении конуса в массиве породы происходит перемещение частиц, сопровождающееся их уплотнением. В зависимости от состояния грунта преобладает тот или иной вид деформации. Лобовое сопротивление, оказываемое проникновению инструмента в породу R, зависит от модуля ее деформации E и может быть определено путем преобразования формулы, предложенной В.И. Ферронским
Бурение методом задавливания

где u — коэффициент Пуассона, который рекомендуется принимать для песков и супесей 0,30: для суглинков 0,35; для глин 0,42.

При задавливании приходится преодолевать силы трения T, возникающие на боковой поверхности наконечника.

Исследованиями ВСЕГИНГЕО установлено, что отношение R/T составляет для глии 15, для песчано-глинистых пород 25, для песков 35. Таким образом, силы трепня возрастают по мере уменьшения содержания в породе глинистых частиц.

Очевидно, что силы трения, препятствующие движению инструмента, возникают по всей его длине.

В результате исследований, проведенных в СКБ МГ России Ю.Д. Буштедтом и В.И. Штипельманом путем тензометрирования, было установлено, что величина осевого усилия, доходящего до забоя, снижается по мере увеличения глубины в связи с возрастанием потерь на трение.

Уже нa глубине около 5 м потери осевого усилия достигают 60—70%, а на 10 м усилие на снаряде составляет всего 15—20% от полной осевой нагрузки.

При бурении в одинаковых, породах величина усилия на наконечнике остается практически постоянной независимо от глубины, в то время как суммарное осевое усилие возрастает почти прямо пропорционально глубине скважины, что объясняется увеличением длины колонны.

В целом необходимое усилие задавливания независимо от глубины связано с физико-механическими свойствами пород, как это можно видеть на графике, построенном Е.С. Бубновым (рис. 43).

Особенно большие усилия возникают при достижении конусом плотных песков и глин. Их уплотнение происходит только до критической глубины, т. е. до тех пор, пока возможно вспучивание породи в сторону кровли пласта, в дальнейшем деформации практически не происходит и углубление прекращается даже при усилиях, составляющих 15000 кГ.

Установлено, что при задавливании конуса в грунт после достижения критической глубины влияние диаметра в пределах 43—320 мм на сопротивление погружению зонда практически отсутствует.

Вместе с тем исследованиями СКВ выявлено существенное влияние на скорость задавливания разницы диаметров между рабочим наконечником и трубами.

Установлено, что задавливание происходит наиболее эффективно при соотношении диаметров наконечника и штанг, равным 1,4— 1,6.

Е.С. Бубнов отмечает, что при увеличении диаметра конуса с 62 до 80 мм и зазора соответственно с 6 до 15 мм осевое давление, необходимое для погружения и подъема снаряда, уменьшается на 40—50%. Дальнейшее увеличение диаметра приводит к ухудшению условий задавливания, поскольку одновременно возрастает изгиб колонны труб под действием осевой нагрузки и ее составляющая, обусловливающая возникновение сил трения между трубами и стенками скважины.

Усилие задавливания зависит и от конусности наконечника. Оптимальными являются угли 60 и 90°. При задавливании наконечника без конуса с плоским торцом усилие возрастает на 30%.

Извлечение инструмента из скважины также требует приложения значительных усилий и затрат времени, иногда превышающих усилии и время, необходимые на самозадавливание. Это объясняется недостаточным уплотнением породы при небольшой высоте калибрующего пояска наконечника и сужением ствола под действием сил упругости грунта.

Увеличение высоты пояска с 20 до 150—200 мм повышает время контакта наконечника с породой при скорости задавливания 6 м/мин с 0,2 до 2 сек и обеспечивает достаточное уплотнение породы, облегчая последующий подъем.

Вместе с тем увеличение высоты калибрующего пояска в 3—4 раза вызывает рост необходимого усилия задавливания на 10—15%. Нa усилии подъема сказывается также искривление скважин, достигающее при задавливании 30—40° на 20 м и приводящее к затяжке инструмента при его извлечении.

Стремление расширить область применения метода задавливания привело к попыткам использовать его в сочетании с вращением инструмента.

Бурениe осуществлялось при этом винтовыми наконечниками, представляющими собой один виток змеевика, переходящий кверху в конус и калибрующий цилиндрический участок. Исследования, проведенные СКВ МГ России, показали, что в песках существенного эффекта не получается. В глинистых породах возможная глубина проходки повышается при использовании задавливания с вращением в 1,2—1,5 раза (табл. 80).

Лучшие результаты были получены при использовании винтового наконечника 90/90 и змеевика. Увеличение диаметра наконечника до 120 мм приводило к значительному повышению крутящего момента и поломкам соединений труб.

Некоторое увеличение эффективности задавливания при вращении снаряда объясняется, видимо, уменьшением сил трения между колонной и породой, а также несколько лучшим уплотнением породы благодаря ее частичному разрыхлению и распределению по стволу скважины. Кроме того, при благоприятных условиях винтовой наконечник создает при вращении дополнительное осевое усилие благодаря его ввинчиванию в породу, что также способствует повышению скорости возможной глубины проходки. Расходка инструмента при задавливании с вращением позволяет добиться увеличения предельной глубины еще на 10—20%, Практикуется также подлив или закачивание в скважину воды, что снижает трение, препятствующее вращению наконечника и движению труб.

Метод задавливания в его обычном виде используется в установках для специальных методов съемки и обеспечивает проходку скважин за одни рейс с получением в процессе углубления посредством специальных датчиков необходимой геологической информации: газопроявлений, лобового сопротивления грунта, сил бокового трения, пористости, влажности и т. д.

Отбор проб при этом осуществляется при помощи специальных пробоотборников скребкового типа или типа штампа только с конечной глубины задавливания.

Производительность бурения в зависимости от вида геологических исследований и характера разреза достигает 100—600 м в смену.

Вместе с тем метод задавливания применяется для отбора монолитов при инженерно-геологических изысканиях, для чего используются специальные тонкостенные грунтоносы. Для улучшения качества образца служат так называемые поршневые залавливаемые грунтоносы. При спуске в скважину внутренняя полость такого грунтоноса закрыта поршнем, корпус грунтоноса связан с основной колонной трубы, а поршень — с расположенной в ней вспомогательной колонной. При задавливании корпуса грунтоноса в грунт внутренняя колонна и поршень остаются неподвижными, а вакуум, возникающий во внутренней полости грунтоноса, способствует сохранности образца.





Яндекс.Метрика