Бурение скважин пневмоударным способом
Обновлено: 07.07.2024
Что такое пневмоударник и где он используется?
Развитие технологического процесса способствует тому, что многие работы выполняются проще и быстрее. При необходимости совершить бурение скважины многие мастера задаются вопросом о том, какой инструмент в этом случае лучше использовать. По мнению специалистов и потребителей, для таких задач как нельзя лучше подходит пневмоударник.
Особенности, плюсы и минусы
Пневмоударником называют буровой вид инструмента пневматического типа, который работает на основе ударных либо ударно-вращательных механизмов. В основе его функционирования может лежать открытый или подземный метод. Данный вид оборудования используется при работе с крепкими, абразивными и разрушенными породами. Он является частью крупного бурильного аппарата.
Этот буровой инструмент часто используется во время геолого-разведочного бурения, изыскательных процедур. При работе с оборудованием можно получить скважину, диаметр которой составляет 8,5-25 см, в некоторых случаях – 80 см. Глубина бурения в этом случае может составлять от 30 до 80 метров.
Вышеперечисленные показатели могут меняться в зависимости от качества породы, ударной энергии и скорости вращения.
Буровой инструмент характеризуется следующими преимуществами:
- надежностью, длительным сроком эксплуатации;
- эффективностью очистки от шлама;
- простотой использования;
- возможностью быстрой и простой замены инструмента;
- отсутствием заклинивания инструмента во время работы.
Минусы у пневмоударника также имеются, одним из них считается необходимость наличия большого количества сжатого воздуха для работы. Помимо этого мастерам во время использования бурового инструмента приходится обеспечивать устойчивость стенок скважин.
Принцип работы
Пневмоударник – это цилиндрический тип устройства, внутри которого располагается поршень. Рассмотрим принцип работы данного оборудования.
- Воздух в сжатом виде направляется в специальные камеры по вертлюгу и колонке бура. Благодаря разности рабочего давления в пневмосистеме возникают движения возвратно-поступательного типа в поршне. У последнего имеется шток, который оказывает воздействие на породоразрушающий инструмент.
- Под воздействием высокого давления воздух через переходник выводится благодаря отверстию в коронке. Такое действие влечет за собой разрушение пород, а также подъем шлама.
- На проходную скорость оказывает влияние увеличение или уменьшение воздушного давления, а также энергии единичных ударов.
Инструмент для бурения скважин может иметь разные диаметры.
Чем больше этот показатель, тем выше производительность погружного пневмоударника.
В настоящее время на рынке можно встретить две разновидности данного инструмента.
- Разведочный, который используется для бурения скважин, что в диаметре не превышают 25 см.
- Кольцевой. Этот вид оборудования отлично справляется с бурением твердых пород. С целью защиты пневмоударника от воздействия негативных факторов окружающей среды инструмент покрывают вольфрамом либо карбидом.
Согласно распределению воздуха выделяют определенные виды оборудования для бурения скважин.
- Клапанный. В инструменте низкого давления имеется тарельчатый клапан, благодаря которому регулируется воздушный поток.
- Бесклапанный. Пневмоударник, работающий на высоком давлении, оснащен профильными поршнями, которые регулируют давление воздуха. Эта модель оборудования считается современной и усовершенствованной. Бесклапанное оборудование функционирует на водно-воздушных смесях либо исключительно на воздушных.
По варианту соединения с коронками пневмобуровые установки делятся на два вида.
- Со шлицевым соединением. Пневмоударник под сваи обеспечивает высокое качество центрирования коронки. Благодаря этому увеличивается точность бурения, а также упрощается процедура забуривания.
- С байонетным соединением. Инструмент с прямой промывкой и без нее характеризуется надежностью стыковки и быстротой замены.
Производители
При выборе пневмоударника китайского или отечественного производства стоит учитывать его конструкционные и функциональные особенности. Помимо этого, потребителю стоит обратить внимание на экономию энергии агрегатом, а также его расход воздуха. Модель и марка инструмента для бурения скважин выбирается согласно предпочтениям покупателя.
К наиболее востребованным моделям относятся следующие:
- SANDVIK;
- Robit;
- IREV SERIES;
- Segovia;
- EVERDIGM;
- HAUS HERR;
- Wolf.
Выбранный пневмоударник должен полностью соответствовать поставленным перед ним задачам.
Существуют также инструменты для тяжелых рабочих условий, они имеют большой наружный диаметр. Оборудование для глубоких скважин разработано специально для процессов высокой производительности. Такие модели агрегата особенно актуальны для больших объемов грунтовых вод и глубоких скважин.
Для того чтобы увеличить срок службы пневмоударника, а также предотвратить аварийные ситуации при его использовании, пользователю стоит правильно ухаживать за инструментом. До того как установить либо демонтировать оборудование, его переворачивают и проверяют свободу перемещения внутреннего поршня. В этом случае движение должно сопровождаться глухими звуками.
Использование агрегата для бурения скважин должно сопровождаться его смазкой, а именно добавлением мелкодисперсного масла в воздушную подачу. Некоторые мастера вносят немного масла в бурильную колонну во время монтажа штанги.
Чаще всего пневмоударник ломается из-за засорения, износа поршня.
Чтобы устранить проблему, потребуется перебрать оборудование, заблаговременно его демонтировав.
Пневмоударное бурение
ПНЕВМОУДАРНОЕ БУРЕНИЕ — способ бурения с применением в качестве рабочего органа пневмоударника. Применяется для проходки взрывных скважин диаметром 100 200 мм, глубиной до 50 м и глубоких нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин в скальных породах … Большой Энциклопедический словарь
Пневмоударное бурение — ► air percussion drilling Разновидность ударно вращательного бурения с использованием погружного бурильного молотка (пневмоударника). Современные погружные пневмоударники работают на энергии сжатого воздуха с давлением 0.5 1.5 МПа … Нефтегазовая микроэнциклопедия
Бурение — проходка буровых скважин. Известно много видов бурения: колонковое, бсскерновое, ударное, шарошечное, шнековое, вибробурение, термическое и др. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
Пневмоударное бурение
ПНЕВМОУДАРНОЕ БУРЕНИЕ (а. pneumatic impact drilling; н. Druckluftschlagbohren, pneumatisches Schlagbohren; ф. forage par percussion pneumatique, sondage par battage а air соmprime; и. perforacion neumatica por percucion, sondeo por percucion neumatiсо) — разновидность ударно-вращательного бурения с использованием погружного бурильного молотка (пневмоударника). Современные погружные пневмоударники работают на энергии сжатого воздуха с давлением 0,5-1,5 МПа и имеют клапанное или бесклапанное воздухораспределение. Поршень-боёк пневмоударника за счёт поступательно-возвратного движения наносит удары по хвостовику, который является частью долота (сплошное бурение), или входит в состав пневмоударника и передаёт удары колонковому снаряду (керновое бурение). Вращение пневмоударника осуществляется вместе с долотом и буровым ставом вращателем, установленным на станке; частота 30-70 об/мин. Буровой став наращивается по мере углубления скважины. Пневмоударники применяются при бурении взрывных, технических, поисковых и разведочных скважин на твёрдые полезные ископаемые, воду, нефть и газ. Скорость бурения определяется конструкцией породоразрушающего инструмента, частотой вращения и ударов и энергией единичного удара. Скорость расчётов с увеличением давления сжатого воздуха и энергии единичного удара. В качестве породоразрушающего инструмента используют 3- или 4-лопастные долота, армированные пластинками твёрдого сплава. В последние годы широко применяются долота с рабочей поверхностью различных конфигураций, армированными цилиндрическими вставками твёрдого сплава со сферическими рабочими поверхностями. Такие долота более износоустойчивы. Иногда в качестве породоразрушающего инструмента используют шарошечные долота. Для геологоразведочного бурения с отбором керна служат специальные твердосплавные коронки с колонковыми снарядами. В подземных условиях применяют погружные пневмоударники, работающие на водо-масло-воздушной смеси, которая обеспечивает при выхлопе успешное пылеподавление на забое. В случае работы на сжатом воздухе для пылеподавления в буровой став подаётся вода. На открытых горных разработках применяют бурение с использованием в основном сжатого воздуха, а образующаяся пыль улавливается системами сухого пылеулавливания (циклоны и тканевые рукавные фильтры). Применяют также мокрое пылеподавление.
Реклама
Погружными пневмоударниками бурят взрывные скважины глубиной до 40 (50) м и диаметром 80-150 мм, а с расширителями — до 250-300 мм. При геологоразведочных работах применяют пневмоударники, отличающиеся большей массой бойка, что повышает коэффициент передачи удара через колонковый снаряд, наличием обратных клапанов, предотвращающих попадание в механизм воды и шлама при спуске в скважину. Диаметр скважин 76-151 мм, глубина до 200-500 м. В условиях водопроявлений практикуется подача в скважину небольшого количества воды и добавки поверхностно-активных веществ. Эффективность бурения снижается по мере увеличения подпора на выхлопе пневмоударника.
При бурении глубоких нефтяных и газовых скважин, а также гидрогеологических скважин диаметром 180-250 мм используют специальные пневмоударники, работающие при высоком давлении сжатого воздуха. Пневмоударное бурение эффективно в породах с коэффициентом крепости по классификации М. М. Протодьяконова свыше 8 (scж>=80 МПа). Для подземного пневмоударного бурения в CCCP получили распространение (до 50% объёмов) специальные передвижные станки, устанавливаемые в выработке на распорной колонне типа HKP-100 М, ЛПС-3 и др. Разрабатываются пневмоударные станки на самоходных пневмошинных базах. На открытых горных работах в CCCP распространены самоходные станки на гусеничном и пневмошинном ходу типа 1СБУ-125, СБУ-100П (рис.) и др.
Зарубежные фирмы также выпускают пневмоударные станки для бурения скважин диаметром 80-200 мм и более (в отдельных случаях до 800 мм) и глубина до 80 м.
Для геологоразведочного пневмоударного бурения применяют станки шпиндельные или с подвижным вращателем. За рубежом распространено бурение погружными пневмоударниками на двойной бурильной колонне с обратной продувкой и выносом разрушенной породы на поверхность по центральному каналу.
Механическая скорость пневмоударного бурения возрастает по сравнению с вращательным, хотя в породах средней крепости и крепких вращательное бурение шарошечными долотами при рациональных режимах может обеспечивать более высокие скорости.
Пневмоударное бурение
Краткий электронный справочник по основным нефтегазовым терминам с системой перекрестных ссылок. — М.: Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина . М.А. Мохов, Л.В. Игревский, Е.С. Новик . 2004 .
Смотреть что такое "Пневмоударное бурение" в других словарях:
ПНЕВМОУДАРНОЕ БУРЕНИЕ — способ бурения с применением в качестве рабочего органа пневмоударника. Применяется для проходки взрывных скважин диаметром 100 200 мм, глубиной до 50 м и глубоких нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин в скальных породах … Большой Энциклопедический словарь
Пневмоударное бурение — способ бурения (См. Бурение) с применением в качестве рабочего органа пневмоударника (забойного двигателя, погружаемого в скважину и работающего от энергии сжатого воздуха). Используется для проведения взрывных скважин диаметром 85 200 мм … Большая советская энциклопедия
Бурение — проходка буровых скважин. Известно много видов бурения: колонковое, бсскерновое, ударное, шарошечное, шнековое, вибробурение, термическое и др. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
Технология ударно-вращательного способа бурения скважин с применением пневмоударника
Параметры режима УВБ с применением пневмоударников те же, что и при бурении с гидроударниками.
Осевую нагрузку в каждом конкретном случае подбирают с учетом всех рассматриваемых ранее факторов. Ниже приведены значения Go, рекомендуемые для УВБ с применением пневмоударников.
Следует отметить, что при бурении в мягких глинистых породах, в особенности имеющих отрицательную температуру, повышенная осевая нагрузка в сочетании с большой силой ударов приводит к отрицательным результатам в связи с тем, что резцы внедряются на всю высоту выхода из тела коронки и при этом перекрываются циркуляционные каналы между торцом ПРИ и забоем. В таких условиях пневмоударник прекращает свою работу (глохнет), а продукты разрушения не удаляются с забоя. Кроме того, при бурении в мягких породах с отрицательной температурой в контактной зоне происходит мгновенное выделение воды, которая быстро примерзает вместе с продуктами разрушения к торцу ПРИ, образуя наросты и перекрывая дополнительно циркуляционные каналы. В связи с этим в нагнетательной линии резко повышается давление сжатого воздуха, и бурение прекращается. В таких условиях рекомендуется вести бурение с уменьшенной подачей бурового снаряда (на величину выхода хвостовика и шлицевой втулки из муфты на 20—25 мм при подвешенном пневмоударнике). Большую величину осевой нагрузки не рекомендуется создавать также при бурении в валунно-галечниковых отложениях, так как при этом появляется возможность асимметричного износа и поломки резцов.
Частота вращения бурового снаряда и частота ударов, как было показано ранее, тесно взаимосвязаны друг с другом и зависят от числа резцов т в ПРИ и от свойств пород.
Определение рационального значения частоты вращения сна-ряда при УВБ осуществляют экспериментально в конкретных условиях. Ниже приведены практические рекомендации по выбору частоты вращения при УВБ с применением пневмоударников
Расход и давление воздуха определяют из условия очистки скважины от продуктов разрушения и нормальной работы пневмоударника. Расчеты и практика показывают, что для нормальной работы пневмоударных машин типа РП расход воздуха меньше, чем это требуется для очистки скважины от шлама. Так, например, при бурении скважины, имеющей диаметр 113 или 132 мм, с применением БТ диаметром 50 мм расход воздуха, обеспечивающий вынос продуктов разрушения, составляет соответственно 7—8 и 9—10 м3/мин, а для нормальной работы пневмоударников необходимо 4—5 и 6—7 м3/мин. Таким образом, расход воздуха нужно рассчитывать, прежде всего, исходя из условий выноса продуктов разрушения.
Для обеспечения нормальной очистки забоя от шлама при бурении в сухих скважинах скорость восходящего потока воздуха в интервале забой — шламовая труба должна быть не менее 15—18 м/с. Поэтому в случае применения комплекса КПР на пневмоударник рекомендуется одевать кожух для уменьшения зазора, по которому движется поток воздуха, выносящего шлам. В противном случае шлам будет «зависать», накапливаясь в этом интервале, что может привести к осложнениям. В случае недостаточной подачи воздуха используемым компрессором необходимо применять шламовые трубы для улавливания продуктов разрушения в скважине.
Давление сжатого воздуха определяется потерей напора при его движении в циркуляционной системе и в пневмоударной машине. Для нормальной работы пневмоударников типа РП-111 и РП-130 необходимое давление воздуха составляет 0,6-0,7 МПа. Потери напора в циркуляционной системе определяют в зависимости от параметров скважины и БТ по разработанным методикам. При бурении глубоких скважин потери напора существенно возрастают и давление воздуха, создаваемое компрессором, достигает 1—1,5 МПа и более.
При выборе компрессора следует учитывать, что его подача существенно зависит от высоты местности над уровнем моря. Так, для компрессора с дизельным приводом эта зависимость выглядит следующим образом:
Подбор рациональных параметров режимов бурения. Основные показатели процесса УВБ — механическая скорость и величина углубки скважины за рейс — зависят от сочетания значений регулируемых параметров режима бурения: осевой нагрузки и частоты вращения бурового снаряда (при заданных силе и частоте ударов, свойствах породы и др.). На рис. 11.4 приведены графики зависимости механической скорости бурения и величины углубки скважины от значений осевой нагрузки и частоты вращения при бурении в различных породах (по данным P.X. Гафияттулина, О.В. Игнатьева, И.М. Кузнецова и др.). Из графиков видно, что темп уменьшения vм и величина углубки l зависят от частоты вращения п и осевой нагрузки Gо на коронку. При этом существенно отличаются и начальные механические скорости бурения. Они имеют наибольшие значения при максимальной величине осевой нагрузки и минимальные при наименьшей. В такой же зависимости находится и темп снижения vм по мере притупления лезвий ПРИ или возрастания величины углубки. Аналогичное влияние оказывает и частота вращения: чем она больше, тем интенсивнее снижается vм. В соответствии с такими закономерностями будет изменяться и величина углубки за рейс при бурении скважин и рейсовая скорость.
Следовательно, при бурении сравнительно неглубоких скважин, когда на СПО затрачивается мало времени, рационально подбирать параметры такими, чтобы получать высокую vм даже при небольшой величине углубки до затупления ПРИ. Ho по мере увеличения глубины скважины параметры режима бурения должны меняться так, чтобы интенсивность снижения vм была минимальной, а величина углубки за рейс — максимальной. Это обеспечит наибольшую сменную производительность труда при бурении глубоких скважин.
При бурении в плотных скальных породах осевая нагрузка на коронку должна достигать 200—400 даН, в валунно-галечниковых отложениях — 100—150 даН, а при бурении по глинам и иловатым породам — 0—50 даН. При бурении в глинистых породах с отрицательной температурой следует вести бурение с нулевой нагрузкой на забой, что возможно при периодической подаче на 20—25 мм подвешенного бурового снаряда. Для того, чтобы предупредить растепление пород на забое, рекомендуется охлаждать сжатый воздух, подаваемый в скважину, до отрицательной температуры и очищать его от влаги.
Частоту вращения подбирают в зависимости от частоты ударов пневмоударника, количества резцов в коронке и характера (свойств) пород с целью получения рационального расстояния между углублениями, образующимися при каждом ударе. Так, например, при значении S1 = 13—15 мм, w = 1000 уд/мин и диаметре скважины 184 мм рациональная частота вращения составила 20—30 об/мин.
Технология бурения. При УВБ скважин с применением пневмоударников выполняются общепринятые правила технологии, обеспечивающие высокую эффективность сооружения скважин. При сборке бурового снаряда во избежание потерь сжатого воздуха очень важно обеспечить необходимую прочность и герметичность всех резьбовых соединений, свинчивание которых следует осуществлять с помощью ключей.
Эффективность УВБ в слабообводненных скважинах с применением воздуха существенно снижается в связи с возрастанием противодавления в скважине, ухудшения условия выноса шлама, образования сальников и осложнений при подъеме снаряда. Устранить эти недостатки возможно при добавке к сжатому воздуху раствора ПАВ, в частности, типа ОП-10 или привоцел. Оптимальная концентрация ПАВ при притоках в скважину пресной воды составляет 0,1—0,2%, а минерализованной — 1,1—1,2%. Расход водного раствора ПАВ зависит от интенсивности водопритока в скважину: не более 7—8 л/мин при бурении РП-111 и 8—10 л/мин — при РП-130 (чем интенсивнее водоприток, тем меньше должен быть расход смеси, но выше концентрация ПАВ). При этом содержание шлама в растворе с ПАВ не должно превышать определенной величины в зависимости от характера пород (для глинистых пород от 1:5 до 1:2; для известняков, доломита, гранита и других от 1:2 до 1:1).
При возникновении осложнений во время подъема снаряда необходимо кратковременно увеличить подачу раствора ПАВ. Подача раствора ПАВ в воздушную линию циркуляционной системы осуществляется насосом. Развиваемое насосом давление должно превышать давление сжатого воздуха в нагнетательной линии. Чтобы предупредить попадание сжатого воздуха в насос, а раствора ПАВ в компрессор, нагнетательные линии должны снабжаться обратными клапанами.
В случае работы бурового снаряда в рациональном режиме давление сжатого воздуха изменяется незначительно и главным образом за счет заполнения колонкового снаряда керном. Резкое повышение давления с прекращением выноса продуктов разрушения свидетельствует о прекращении циркуляции воздуха в призабойной части скважины.
Причиной этого может явиться чрезмерное заглубление резцов при нерациональном значении усилия подачи снаряда в случае бурения по мягким глинистым породам, заполнение колонковой трубы керном при углубке, превышающей длину трубы, зашламование скважины, образование сальника, перекрытие (перемерзание) канала в бурильных трубах и др.
В случае резкого повышения давления воздуха прекращают углубку и осуществляют расхаживание снаряда. Если при этом давление не снижается, поднимают буровой снаряд на поверхность. He рекомендуется восстанавливать циркуляцию воздуха длительным вращением бурового снаряда, так как это может привести к растеплению стенок скважин и к еще большим осложнениям.
Продолжительность рейса при УВБ с применением пневмоударников определяется, как и при использовании гидроударников уровнем механической и рейсовой скоростей, необходимостью сохранения керна, износом ПРИ, всевозможными осложнениями, в особенности при бурении в многолетнемерзлых породах и др.
С целью получения возможно большей величины углубки за рейс lp при достаточно высокой механической скорости бурения vм, а также углубки на один ПРИ, необходимо принимать меры по предупреждению осложнений и осуществлять рациональную отработку ПРИ.
В практике УВБ с применением пневмоударников рекомендуется рациональная схема отработки ПРИ, получившая название «круговой» (по И. В. Куликову). Она основана на критерии «нулевого зазора» между коронкой и стенкой скважины. Этот критерий определяет величину углубки за рейс lp при которой очередная коронка свободно дойдет до забоя. При этом может быть подсчитано общее число коронок к, необходимых для бурения скважины в определенном интервале с заданной конечной потерей диаметра по формуле
где lт — длина интервала пробуренной скважины, м; lp — величина углубки за рейс, м; zк — число повторных заточек используемых коронок; lк —суммарная величина углубки на одну коронку, м.
Например, (по И.В. Куликову), необходимо пробурить скважину в интервале 150 м с суммарной потерей диаметра 3 мм (при начальном диаметре 112 мм и конечном — 109 мм). При средней величине углубки на коронку 15 м на бурение 150 м скважины потребуется 10 коронок. Исходя из величины потери диаметра скважины 3 мм в интервале 150 м, допустимая потеря на каждый метр углубки составит 0,02 мм, что соответствует определенной величине углубки за рейс (или интенсивности износа ПРИ), например, 1,5 м.
Таким образом, все 10 коронок отрабатываются поочередно при углубке за рейс не более 1,5 м с повторным использованием через 10 рейсов. Комплект коронок следует подбирать так, чтобы первая имела наибольший диаметр (в пределах допуска), а последняя — наименьший. Для повышения эффективности отработки ПРИ следует применять коронки с комбинированным расположением резцов, повышенной износостойкости или расширители.
При определении оптимальной величины углубки за рейс следует помнить, что от этого показателя зависит и механическая скорость бурения. Причем, в твердых породах наблюдается существенное снижение vм с увеличением lp, а в более мягких — менее заметное в зависимости от действия различных факторов.
При необходимости получения 100% выхода керна в случае применения комплекта КПР углубка за рейс составляет: при диаметре скважины 146 мм — 0,85 м; при 168 мм — 1,1 м и при 203 мм — 1,4 м.
Отбор керна и подъем его на поверхность. С целью сохранения керна в колонковой трубе в процессе бурения скважины не рекомендуется приподнимать снаряд над забоем более чем на 2—3 см. Последние 20—30 см до окончания углубки в рейсе следует бурить с пониженным давлением воздуха до 0,3—0,4 МПа, предварительно очистив скважину от шлама интенсивной продувкой, не отрывая коронки от забоя. Затем произвести "затирку" керна в течение 2—3 мин при медленной подаче снаряда (в случае бурения по мягким породам). При бурении в скальных породах керн заклинивается с помощью кернорвательного устройства, встроенного в коронку. Проверку надежности захвата керна производят подъемом бурового снаряда над забоем на 10—15 см и опусканием (без вращения). Если снаряд возвращается на забой, значит керн заклинен и сорван. В противном случае он на прежнее место не встанет. Подъем снаряда с керном следует вести без рывков и ударов на пониженной скорости.
В случае оставления керна на забое или потери во время подъема для извлечения его из скважины следует использовать ДКС с кернозахватывающим устройством. Снаряд доводят до забоя с вращением и пониженным давлением воздуха (до 0,2-0,3 МПа). Достигнув забоя, производят подъем снаряда. Извлекаемые при этом керн и шлам из шламовой трубы и шламосборника на поверхности используют в качестве пробы, характеризующей пробуренный интервал.
Сбор шлама, который может быть использован при опробовании полезного ископаемого, производят в двух местах; у забоя (в шламовой трубе) и на устье скважины — в шламосборнике. Привязка образцов шлама к геологическому разрезу в пробуренном интервале облегчается при использовании разъемных шламовых труб. Эго позволяет вести бурение без ограничения величины углубки скважины в рейсе, при длине секции опробования 0,2-0,3 м.
Сооружение неглубоких скважин с применением вибрационного способа бурения
Сущность этого способа бурения заключается в том, что буровой инструмент погружается в мягкий грунт под действием вибраций — высокочастотных импульсных нагрузок-ударов, создаваемых механическим источником колебаний — вибратором. Вибратор может находиться на поверхности или в скважине (у забоя). Идея применения вибраций для погружения свай и бурения скважин предложена Д. Д. Барканом в 1934 г. Этот способ, широко применяемый при бурении инженерно-геологических скважин, характеризуется простотой и высокой эффективностью. Глубина скважин достигает 20—25 м при диаметре 63—406 мм, скорость погружения бурового снаряда в песчаных грунтах достигает 5—6 м/мин, а в среднем составляет 1,5—2,5 м/мин. Производительность в 5—9 раз выше ручного способа бурения. При вибрационном погружении колонкового снаряда диаметром 150 мм можно получать керн длиной до 2 м. Причем керн имеет хорошую сохранность.
На практике реализуется две схемы вибрационного способа бурения скважин: вибрационно-ударный (забивной) и вибрационно-вращательный. Общий вид установки вибрационно-ударного способа бурения представлен на рис. 28.1, a. Ha колонне бурильных труб устанавливается источник вибраций — обычно механический вибратор (рис. 28.1, в). К бурильной трубе присоединяется буровой снаряд — зонд. При работе вибратора создаются динамические нагрузки Рд, под действием которых преодолевается сопротивление рыхлых пород и снаряд быстро погружается. Если снаряд представляет собой трубу, то при этом внутрь трубы поступает столбик породы — керн, который при подъеме снаряда удерживается в трубе силой трения или с помощью специальных приспособлений.
При погружении бурового снаряда грунт оказывает боковое и лобовое сопротивление. Боковое сопротивление возникает за счет сил трения и сил сцепления грунта с поверхностью погружаемого предмета. Лобовое сопротивление — сопротивление грунта, выдавливаемого в стороны из-под торца ПРИ. Успех погружения зависит от прочности грунта (силы внутреннего трения и сцепления частиц), глубины погружения и площади торца (поперечного сечения) ПРИ.
При вертикальном вибрировании боковое сопротивление уменьшается в десятки раз. При этом частицы грунта приходят в колебательное движение, за счет чего уменьшается величина сил внутреннего трения песчаных грунтов пропорционально частоте колебаний, а в сильно увлажненных рыхлых образованиях проявляются тиксотропные свойства, грунт разжижается и снаряд легко погружается в пласт. Это явление леаниризации грунта.
Вибрационно-вращательный способ бурения отличается тем, что одновременно с вибрацией и вращением бурового снаряда действует еще осевая нагрузка. При такой схеме вибрационное бурение возможно осуществлять и в более плотных, твердых породах. Источник вибраций может размещаться как на поверхности, так и в призабойной части скважины. В качестве поверхностного источника вибраций обычно используют механический двублочный вибратор направленного действия, присоединяемый к бурильным трубам с помощью ниппеля (рис. 28.1, в). При вращении эксцентричных грузов с помощью двигателя и клиноременной передачи создается возмущающая сила F, направление действия которой меняется, а при вращении двух эксцентриков силы F либо уравновешиваются, либо складываются, когда направления их действия совпадают Pд = 2F. Таким образом, вибратор создает знакопеременные динамические нагрузки, действующие вдоль оси бурового снаряда. При действии силы Pд вверх снаряд приподнимается, а при действии вниз — погружается в грунт.
Центробежная (возмущающая) сила F, создаваемая дебалансами, имеет величину, определяемую выражением
где m — масса дебалансов (эксцентриков), кг; е — величина смещения центра тяжести дебалансов относительно оси его вращения (эксцентриситет), м; w — угловая скорость дебалансов, с-1.
Вращение дебалансов обычно осуществляется с частотой 1100—1800 об/мин. При определенной массе дебалансов величина возмущающей силы может колебаться в широких пределах: от 20 до 300 кН. Амплитуда колебаний снаряда определяется выражением
где ф — коэффициент снижения амплитуды колебаний за счет демпфирующих сопротивлений (ф = 0,7-0,9); m — масса дебалансов, кг; е — эксцентриситет, см; т,- масса всех вибрируемых элементов вибратора и бурового снаряда, кг.
С увеличением глубины скважины масса бурового снаряда увеличивается, за счет чего уменьшается амплитуда колебаний, что приводит к затуханию скорости его погружения (бурения). Этим практически и определяется максимальная глубина скважин (25—30 м). Бурение более глубоких скважин можно осуществлять, используя погружные вибраторы.
Вибромолот отличается от вибратора тем, что не связан жестко с буровым снарядом (см. рис. 28.1, б). Корпус вибромолота установлен на пружинах, которые при движении эксцентриков вниз сжимаются и масса вибратора получает некоторое ускорение, за счет чего формируются удары большой величины при небольшой массе дебалансов. Удары наносятся бойком по наковальне.
В качестве бурового забойного инструмента применяют тонкостенные трубы — зонды, оснащаемые башмаком режущего действия. В зависимости от характера проходимых пород конструкция зондов может быть различной, но во всех случаях она должна обеспечить: извлечение образца на поверхность при бурении по рыхлым и вязким породам; сохранность строения грунта; возможность определения глубины залегания слоя и его мощности; быстрое погружение в грунт зонда.
Наиболее пригодными являются зонды из тонкостенных труб с внутренним диаметром не менее 60 мм (рис. 28.2). Обычно применяют трубы диаметром 150—100 мм. Следует учитывать, что при погружении зонда в пристенном слое толщиной b = 10—20 мм происходит искажение структуры грунта за счет сил трения породы о внутренние стенки трубы. Отсюда минимальный диаметр трубы, обеспечивающей получение керна с ненарушенной структурой, dв = (3-4)b.
Для лучшего погружения и уменьшения лобового сопротивления нижний конец зонда оборудуют специальным башмаком с острым торцом, имеющим диаметр на 2—4 мм больший, чем у трубы, и небольшую высоту (до 30 мм). Угол заточки режущей части башмака 15—60°. При бурении в валунно-галечниковых отложениях применяют башмаки с зубьями.
Для уменьшения бокового сопротивления, в зависимости от характера грунтов, вдоль образующей трубы делаются вырезы — щели или сверлятся отверстия. Величина вырезаемого сектора а = 100—160° (для связных пород шире, для несвязных — уже). Для вязких глинистых грунтов щели делают с двух сторон — одна сплошная, другая с перемычками. Для песчаных грунтов делается одна сплошная щель. Для сыпучих и оплывающих грунтов зонды делают без щелей или с закрывающейся щелью, а также разъемные и с клапанным устройством в башмаке — виброжелонки. В верхней части грунтоноса устанавливают клапан для выхода жидкости или воздуха при заполнении трубы породой. Длина зондов от 0,5 до 2,5—3,0 м. Присоединение зондов к бурильным трубам осуществляют с помощью переходников. При бурении скважин на глубину до 20 м обычно применяют бурильные трубы диаметром 42 и 50 мм для колонкового или ручного бурения. Для работы с трубами используют обычный вспомогательный инструмент — ключи, вилки, элеваторы и др. Для крепления стенок скважин служат обсадные трубы диаметром 108, 127, 146 мм с ниппельным соединением и 168 мм с муфтовым соединением.
Вибробурение скважин может осуществляться по двум технологическим схемам: одним рейсом на всю глубину скважины (однорейсовая схема) и несколькими рейсами по интервалам (многорейсовая). В первом случае в грунт погружают зонд, длина которого соответствует глубине скважины, в соответствии с высотой буровой вышки, или трубы наращивают до момента достижения заданной глубины, после чего вся колонна извлекается. Все секции колонны имеют такую конструкцию, как и зонд (с вырезами). Диаметр труб при этом может быть 76—152 мм. Из поднимаемых труб отбирают образцы пород.
Во втором случае осуществляется бурение по интервалам с применением одного зонда, спускаемого на бурильных трубах. После углубки на некоторую величину (0,3—0,5 м) снаряд поднимают. Из зонда извлекают поднятый грунт. Затем процесс повторяют.
При бурении в неустойчивых породах прибегают к обсадке скважины, погружая трубы с помощью вибратора. Бурение ведут через трубы с опережением башмака обсадной колонны на 0,3 — 0,5 м и более, в зависимости от степени устойчивости пород.
В слабых и средних грунтах рекомендуется вести бурение по первой технологической схеме (до 10—15 м). При этом исключается необходимость обсадки и затраты времени на спускоподъемные операции. В плотных грунтах и при значительной глубине скважин (более 15 м) рекомендуется второй способ — многорейсовый.
К параметрам вибрационного способа бурения относятся: величина возмущающей силы вибратора Р, Н; осевая нагрузка Gо, Н; частота вибраций или частота вращения эксцентриков n, об/мин; амплитуда вибраций А, мм; продолжительность вибраций tв, мин; величина углубки за рейс h, м.
Возмущающая сила влияет в большой степени на эффективность погружения. С увеличением ее численного значения скорость погружения зонда существенно повышается. Причем с увеличением момента эксцентриков потребляемая мощность увеличивается значительно меньше, чем при увеличении частоты вращения.
Для эффективного погружения труб обычно рекомендуется момент эксцентриков в пределах 1000—1800 Н*см и соответственно возмущающая сила Pд = 1000-8000 даН.
У существующих конструкций вибраторов, применяемых при бурении, момент эксцентриков колеблется в пределах 500—1500 Н*см, а у вибромолотов — в пределах 150—1500 Н-см при Рд = 1000-4000 даН.
Осевая нагрузка, создаваемая действием вибрируемой массы mв, должна быть увязана с Pmax отношением: mв/Pmax = 0,4.
Чем выше частота вибраций, тем больше скорость погружения и величина углубки. Ho с увеличением частоты вращения эксцентриков сильно растет потребляемая мощность. Поэтому для современных вибраторов рекомендуется частота вращения не менее 1200 и не более 2500—3000 об/мин. Для вибромолотов — 1500—1800 об/мин.
Величина амплитуды колебаний А зависит от характера пород. Установлено, что при бурении в плотных грунтах она должна быть не менее 3,5 мм, а при бурении в средних и слабых — порядка 2 мм.
Продолжительность вибраций tв влияет как на величину погружения зонда, так и на сохранность образцов грунта. Зависит она от свойств пород. Обычно рекомендуется при бурении в рыхлых песчаных грунтах tв = 2 мин; в глинистых грунтах — tв = 3-4 мин.
Величина углубки за рейс влияет на сохранность керна и на производительность труда. Обычно допускается углубка за рейс до 2 м (при 100% выхода керна), но может быть и до 10—15 м. Первые 2—4 м рекомендуется проходить рейсами не более 1 м из-за сильной усадки грунта. Погружение обычно прекращается, если скорость углубки уменьшается до 10 см за 20 с.
К недостаткам вибробурения можно отнести невозможность бурения скважин в твердых породах и небольшую глубину скважин при использовании поверхностных вибраторов. Первый недостаток устраняется применением вибрационно-вращательного способа бурения, а второй — применением забойных вибраторов.
Для осуществления вибрационно-ударного бурения используют специальные буровые агрегаты с вибраторами различных типов (БТ-6, БТ-9, В-109) или вибромолотами двух типов — пружинными (подрессоренные) типа ВПМ-1, ВПМ-2, С-402А, С-833, С-835, ВБЛ-3М и беспружинными (ВБ-7, ВГ-6, ВГ-8). Используют также вибромашины, имеющие в корпусе проходное отверстие, которое позволяет одевать вибратор на обсадные трубы, выступающие из устья скважины, при их посадке.
В качестве генератора высокочастотных импульсных нагрузок в ряде случаев используют гидро- и пневмоударники, применяемые при колонковом бурении скважин.
Используемые для вибрационного бурения установки могут быть специализированными или комбинированного типа: переносные, передвижные и самоходные. Первые два типа монтируют, как правило, на одноосном колесном прицепе, а самоходные — на автомашинах или тракторах высокой проходимости.
Специализированная самоходная буровая установка для вибрационного бурения ЛВБ-2М, смонтированная на автомашине ГАЗ-66, имеет мачту высотой 7 м, лебедку, генератор мощностью 25 кВт и вибромолот ВБ-7 с возмущающей силой 35 кН. Мачта с помощью винтового подъемника приводится в рабочее и транспортное положение. Для привода вибратора служит электродвигатель мощностью 7 кВт.
Установку используют для вибрационного бурения скважин на глубину до 15—20 м в породах I-IV категории по буримости и ударного бурения на глубину до 40 м в породах до VIII категории по буримости. Диаметры скважин при вибрационном бурении 168, 127, 108 мм, а при ударно-канатном 210—89 мм. В качестве буровых снарядов используют виброзонды, виброжелонки и грунтоносы, спускаемые на бурильных трубах диаметром 63,5 мм длиной 1 и 2 м. Для вибрационного бурения успешно используется установка комбинированного типа ЛВБ-3, смонтированная на автомашине, и др.
Технология пневмоударного бурения
Технология пневмоударного бурения разведочных скважин отличается от технологии бурения взрывных скважин и шпуров в горной промышленности (где этот способ бурения наиболее широко освоен), что связано с более сложными геологотехническими условиями и специфическими геологическими факторами разведочного бурения, а именно:
- значительные глубины скважин и частые водопроявления, создающие подпор на выхлопе пневмоударных машин;
- более сложный геологический разрез скважин, характеризующийся в общем случае чередованием различных по свойствам пород;
- необходимость получения в результате бурения достоверной геологической информации.
С учетом изложенного и общих закономерностей пневмоударного бурения могут быть сделаны следующие рекомендации по технологии сооружения скважин пневмоударным способом:
Oсложнения при пневмоударном бурении
Бурение разведочных скважин пневмоударниками осложняется противодавлением на выхлопе, обусловленным следующими факторами:
- водопроявлениями в скважине, в том числе со значительными водопритоками;
- повышением аэродинамических сопротивлений движению потока очистного агента в колонковой трубе по мере заполнения ее керном особенно в интенсивно трещиноватых породах (так, по данным В. В. Куликова, заполнение колонковой трубы дробленым керном на длину 1,2 м создает противодавление 0,08 МПа);
- повышением сопротивлений движению потока очистного агента в результате зашламования колонковой трубы, коронки и образования сальников на стенках скважины.
Технология пневмоударного бурения в обводненных скважинах включает следующие мероприятия
1. Ступенчатый спуск снаряда в скважину с периодической продувкой в целях понижения уровня воды в скважине благодаря эрлифтной откачке. Число ступеней такого спуска определяется опытным путем с учетом дебита воды, глубины скважины и других факторов. Пневмоударник при этом должен быть обязательно оборудован обратным клапаном для предупреждения попадания в цилиндр загрязнений из скважины.Изменение механической скорости бурения
Изменение механической скорости бурения в течение рейса имеет линейный характер до определенных значений, после чего кривая этой зависимости падает более круто.
Зашламление инструмента и образование сальников
Наиболее сложной технологической задачей при пневмоударном бурении разведочных скважин является борьба с зашламованием инструмента и образованием сальников.
Износ коронок по торцу и диаметру
В твердых абразивных породах при пневмоударном бурении происходит интенсивный износ коронок по торцу и диаметру.
При этом закономерности ударного разрушения твердых пород и износа инструмента аналогичны закономерностям при гидроударном бурении.
Бурение скважин пневмоударными машинами
Пневмоударное бурение относится к ударно-вращательному способу, характерной особенностью которого является использование меньшей сопротивляемости твердых и весьма твердых абразивных пород воздействию динамических нагрузок.
Особенности технологии пневмоударного бурения
Технология пневмоударного бурения разведочных скважин отличается от технологии бурения взрывных скважин и шпуров в горной промышленности (где этот способ бурения наиболее широко освоен), что связано с более сложными геологотехническими условиями и специфическими геологическими факторами разведочного бурения.
Читайте также: