15.01.2021

Качество опробования при различных методов бурения


В большинстве случаев конечной целью бурения является отбор проб, требования к качеству которых зависят от характера поставленной геологической задачи.

В одних случаях эти требования заключаются в необходимости получения достаточного количества кернового материала для определения содержания полезного компонента и подсчета его запасов по месторождению, в других — образец породы должен быть получен со строго определенной глубины, в третьих — недопустимо нарушение структуры керна и его естественной влажности и т, д.

Для определения степени соответствия различных методов бурения указанным требованиям различными организациями проводились специальные исследования и сравнительные испытания специализированного оборудования и инструмента.

При вибрационном бурении зондом диаметром 100—108 мм по данным Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) грунт уплотняется от 0 до 4-0,30 г/см3. По данным НИИОСП, образцы уплотняются на 0,03 г/см3. МГРИ и Гидропроект отмечают, что грунт, наоборот, разуплотняется на 0,13 г/см3, а Ленинградский горный институт и Северо-Западное геологическое управление указывают, что разуплотнение не превышает 0,03 г/см. При этом естественная влажность грунта не изменяется.

Характеризуя забивной способ отбора монолитов грунтоносами диаметром 100 мм. Фундаментстрой отмечает, что наблюдается увеличение коэффициента пористости на 2—3%. По данным ЛИИЖТ, уплотнение грунта по существу не происходит.

Южгипроводхоз установил, что плотность пород при забивном способе в среднем повышается на 7—8%. Влажность образцов при этом способе отбора образцов также не изменяется.

При обуривающем способе получения образца отклонение объемного веса по данным ЦНИИС Минтрансстроя не превышает 0,01—0,02 г/см3. Томжелдорпроект провел испытания обуривающих грунтоносов конструкции С.М. Большакова. Отобранные из скважины монолиты песчано-глинистых пород имели высоту 13—18 см и диаметр 90 мм. Установлено, что объемный вес однородных по составу пород в пробах, взятых грунтоносом и гильзами Литвинова из шурфов, отличаются не более чем на 0,03 г/см3.

По данным А.В. Васильева, при использовании обуривающих грунтоносов структура образца лучше всего сохраняется в глинистых породах твердой и тугопластичной консистенции, а также в плотных песчаных породах. При бурении в пластичных и текущих породах твердосплавные резцы, как правило, захватывают прилипающие к ним частицы породы, расположенные в периферийной зоне образца, и его структура в этой части нарушается. Вибрация вращающегося грунтоноса усугубляет этот процесс.

При отборе монолитов задавливанием Южгипроводхоз и ЦHИИC Минтрансстроя отмстили, что уплотнение грунта не превышает 0,05 г/см3.

Результаты этих исследований позволяют считать, что наилучшие результаты по отбору образцов с ненарушенной текстурой достигаются при медленно-вращательном бурении специальными обуривающими грунтоносами и статическом задавливании пробоотборника.

Обуривающие грунтоносы следует применять при отборе монолитов в глинистых породах твердой консистенции, задавливающие — в пластичных неуплотненных просадочных, текучих, а также рыхлых и водонасыщенных породах. Вполне удовлетворительный отбор образной для опенки структуры и влажности обеспечивают ударно-забивное бурение без отрыва стакана от забоя и вибрационное бурение.

Забивные грунтоносы для отбора монолитов с наибольшим успехом могут быть использованы в микропористых глинистых грунтах, а вибрационные — в глинистых грунтах с коэффициентом пористости нe более 0,9 и числом пластичности не менее 10.

Для отбора образцов пород с целью их литологической характеристики эти грунтоносы дают хорошие результаты и любых породах, о которых возможно их применение с точки зрения эффективности самого процесса бурения.

Следует отметить, что на качество опробования значительное влияние оказывает длина рейса при отборе монолита;

Установлено, что при погружении грунтоносов в массив на глубину, превышающую определенные пределы, структура образца породы в значительной мере нарушается.

По данным А.В. Васильева, оптимальная длина образца породы при отборе монолитов обуривающими грунтоносами в связных, сильно уплотненных породах может быть равной 700 мм, в просадочных несвязных песчанных и торфяных породах — не более 500 мм.

При использовании задавливающих способов отбора монолитов в связных, пластичных и скрыто-текучих породах длина образца не должна превышать 400 мм, в просадочных породах — 300 мм и текучих — 700 мм.

Максимальная длина образца в несвязных песчаных породах равна 500 мм.

В связи с ограниченной длиной рейса при отборе монолитов и связанной с этим высокой трудоемкостью работы особый интерес представляют методы бурения, сокращающие затраты времени на спуско-подъемные операции.

В последнее время осуществляется успешное внедрение, в практику инженерно-геологических исследований отбора образцов пород через полую шнековую колонну съемными керноприемниками, работающими по принципу обуривания или штампа. При отборе керна этим методом достигнуты вполне удовлетворительные результаты.

Станки, работающие ударно-забивным методом с отрывом стакана от забоя, по качеству опробования значительно уступают оборудованию, упомянутому выше, так как величина рейса у них весьма невелика, и при сбрасывании снаряда происходит засорение пробы породой с вышележащих горизонтов, а следовательно, некоторое искажение разреза.

Образцы пород, полученные при вращательном рейсовом бурении с использованием спиральных и ложковых буров обычной конструкции, позволяют определить лишь литологическую характеристику разреза, однако они совершенно непригодны для исследований, требующих ненарушенной структуры породы. В этом случае для отбора образцов необходимо использовать специальные грунтоносы обуривающего или залавливающего типа.

При бурении желонкой происходит интенсивное перемешивание породы, подача песка при проходке плывунов, выпадение гравийного материала и более тяжелых фракций в нижнюю часть слоя и т. д. В результате ошибки в определении глубины залегания контактов слоев в процессе бурения могут быть весьма значительными и иногда достигают нескольких метров.

Значительно искажаются также результаты определения полезного компонента в продуктивных горизонтах.

Тем не менее желонка все еще является единственным инструментом для проходки плывунов, неустойчивых гравийно-галечниковых и песчано-гравийных отложении.

Шнековое бурение без подъема колонны дает неудовлетворительный материал для геологического опробования, так как не позволяет точно определить глубину, с которой доставляется на поверхность порода. Кроме того, порода деформирована и сильно перемешана. Шнековое бурение рейсами с магазином дает несколько лучшие геологические результаты, но при этом сильно возрастает время на спуско-подъемные операции и производительность станка падает настолько, что становится нерациональным его высокая энергоемкость, металлоемкость, высокая стоимость и большой вес.

Поэтому шнековое бурение короткими рейсами с магазином менее эффективно, чем вращательное рейсовое бурение на штангах, и применение этого способа целесообразно лишь в исключительных случаях.

Колонковое бурение с промывкой в мягких породах, как правило, дает самые плохие результаты в связи с недостаточным процентом выхода керна, его избирательным истиранием, а также изменением химического и минерального состава породы вследствие воздействия промывочной жидкости.

Вместе с тем этот способ бурения незаменим при необходимости отбора образцов коренных пород при проведении поисково-картировочных работ.

По зарубежным данным при инженерно-геологических изысканиях обычно выявляют литологический состав подстилающих фундамент сооружения пород, мощность и глубину залегания отдельных слоев, их проницаемость, определяют прочностные свойства пород, глубину залегания уровня грунтовых под и их химический состав. Для получения образцов пород обычно проходят скважины и шурфы. Бурение с промывкой при исследовании мягких грунтов не применяется. Получили распространение методы бурения, не требующие применения промывочной жидкости для очистки забоя от шлама. В табл. 90 приведен перечень бурового инструмента, применяемого и ГДР для бурения в рыхлых и мягких породах при инженерно-геологических исследованиях, с указанием характера искажения образцов.

Расшифровка условных обозначений возможных искажений образцов пород приведены в табл. 91.

Как видно из этих таблиц, не существует универсального инструмента или метода разрушения, одинаково эффективно применяемого во всех разностях пород.

Каждый из перечисленных методов бурения и типов инструмента обеспечивает получение образца породы с различной степенью нарушенности структуры и искажения литологической характеристики разреза.

Из табл. 90 следует, что наименьшее искажение проб обеспечивает забивкой стакан во всех разностях пород. В глине и песке при этом сохраняется также и структура естественного состояния грунта. Обуривающий грунтонос обеспечивает сохранность структуры пробы только глинистых пород и илов.

Наибольшее искажение структуры пробы и ее состава имеет место при работе желонкой. Спиральные буры и грейферы могут быть использованы только при необходимости оценки вещественного состава породы. Зарубежные специалисты также отмечают, что при бурении желонкой происходит перемешивание отбираемых последовательно проб; поскольку образовавшийся в процессе разрушения забоя скважины шлам затем осаждается на забой и смешивается с новыми порциями разрушенной породы.

В связи с этим при инженерно-геологических изысканиях желонки применяют только для проходки плывунов, водонасыщенного гравия, т. е. осложненных участков скважины, для проходки которых непригоден любой другой инструмент. Имеются специальные желонки для глии и гравия. Спиральные, ложковые буры и грейфер дают примерно одинаковую степень искажения пробы. Этот тип инструмента обычно находит применение в тех случаях, когда надо бурить скважины большого диаметра в разрезах, сложенных рыхлыми породами с большим содержанием щебня. Щебеночный материал обычно хорошо заходит на полки спирального бура и удерживается на них в процессе подъема инструмента.

Применение грейфера возможно при минимальном диаметре скважины 350—400 мм.

В табл. 92 приведена характеристика целесообразности применения различного инструмента в зависимости от физико-механических свойств пород.

Учитывая то обстоятельство, что в разрезах могут встречаться в том или ином соотношении все литологические разности упомянутых пород с различной водонасыщенностью, применяемое для этих целей зарубежное оборудование обычно обладает широкой универсальностью и выборе методов бурения и типов применяемого инструмента.





Яндекс.Метрика