Вибрационный способ бурения скважин

Обновлено: 30.06.2024

Вибрационное бурение

Неизменная высокая результативность геологических исследований для проектирования и строительства, проводимых нашей компанией, достигается, во многом, благодаря качественной работе бурового звена ООО «ГеоГИС». Инженерно-геологические условия различных районов Московской области довольно разнообразны, поэтому скорость выполнения изысканий и качество грунтовых проб зависят от правильного выбора технологии бурения разведочных скважин. Один из способов, благодаря применению которого значительно интенсифицируются изыскательские работы, – вибрационное бурение.

Когда целесообразно применить вибрационное бурение?

Бурение, называемое вибрационным (или виброударным), хорошо зарекомендовало себя и эффективно применяется нами в инженерной геологии, когда изыскания с отбором керна (проб грунта) проводятся в таких условиях:

Глубина скважин, достаточная для качественного выполнения полученного нами технического задания на изыскания, не превышает сорока метров.
Геологический разрез изучаемого нами участка представлен физически уплотняемыми горными породами (глины, суглинки, супеси), корой выветривания коренных пород с включениями песка, гравия, гальки, щебня.
Прочность разбуриваемого грунта не превышает четвертой категории по буримости.

Внимание! Не следует применять вибрационное бурение по грунтам, которые, хотя и не являются прочными, но отличаются плохой сжимаемостью (углям, каменной соли, меловым отложениям). Они практически не поддаются этому способу бурения, и в местах их залегания мы выбираем альтернативный буровой метод. Такой, как, например, колонковое бурение.

Технологический принцип вибрационного бурения

Физический механизм работы применяемых нашей компанией установок вибрационного бурения основан на процессе уплотнения грунтовых частиц и соответственного уменьшения их объема при соприкосновении с буровым инструментом кольцеобразного сечения – вибрационным зондом (виброзондом). В результате образуется полость, в которую и внедряется виброзонд. Динамическую нагрузку, за счет которой происходит погружение виброзонда в грунт, мы генерируем с помощью высокочастотных вибраторов (вибромолотов), передающих усилие на буровой наконечник через колонну бурильных труб.

Важно! Для эффективного и качественного бурения конструкция вибратора должна обеспечивать только вертикальную вибрацию инструмента. Применяемое нами современное оборудование сводит возникновение нежелательных горизонтальных колебаний практически к нулю.

Основные элементы оборудования для вибрационного бурения

Основой агрегатов для вибрационного бурения, широко применяемых нашей компанией во многих уголках Подмосковья, является вибромолот с массой в несколько сотен килограммов. Работает он за счет вращения массивных, разбалансированных особым образом маховиков – дебалансов. Каждый дебаланс имеет утяжеляющий сектор, который и вызывает вибрацию при вращении. Кроме вибромолота, в комплект наших агрегатов входит:

Виброзонд. Так называется трубчатый инструмент, который погружается нами в грунт и извлекается из скважины с керновым материалом.
Вибропогружатель. Его мы используем для погружения в скважину и извлечения из нее обсадной трубы.
Электродвигатель, работающий от генератора и приводящий в движение все механизмы бурового агрегата.
Мачта с лебедкой. Необходима нам для производства спусковых и подъемных операций.

Важно! Выбор конкретного агрегата для вибрационного бурения, который будет наиболее соответствовать местным геологическим условиям, производится нашим технологом после предварительного ознакомления с территорией предстоящих изысканий.

Бурение электробуром

Электробур, применяемый в бурении, имеет три типа:

В этой статье описан электробур на трубах предназначеный для бурения вертикальных, наклонно-направленных и разветвленно-горизонтальных нефтяных и газовых скважин. На рисунке показана теоретическая схема электробура.

Основные потери мощности вызываются:

У турбобура ротор имеет лопасти, которые воспринимают энергию потока жидкости и передают её валу ротора. У электробура вместо лопастного ротора имеется электоротор. Питание электроэнергией подается посредством отрезков кабеля, проложенных внутри бурильных труб. Концы кабеля заделаны в замковые соединения таким образом, что при свинчивании бурильных труб в колонну они автоматически соединяются. Подвод тока к бурильным трубам на поверхности производится с помощью контактных колец и щеток, смонтированных на специальном переводнике.

Электробур имеет все преимущества турбинного бурения, а именно:

Кроме того, электробур имеет преимущества над турбобуром:

К недостаткам электробура на трубах относится малая надежность токоподвода, особенно при глубоком бурении скважин малого диаметра.

Вибрационное бурение

Данный способ применяется для бурения мягких и рыхлых пород.

Эффективность вибрационного бурения в большей степени зависит от массы вибропогружателя, момента эксцентриков, частоты и амплитуды колебаний. С возрастанием амплитуды скорость вибробурения увеличивается.

Более глубокие скважины можно бурить, только с помощью погружных вибраторов. Поскольку вибромеханизм находится над породоразрушающим инструментом, скорость бурения, при увеличении глубины скважины не снижается, или снижается по другим причинам. Погружной вибратор спускается в скважину на кабельканате, что исключает применение бурильных труб и ускоряет спускоподъемные операции.

Если при вибрационном бурении инструменту придается вращение, то подобный вид бурения называется вибровращательным, это позволяет бурить и крепкие породы.

Существует два вида вибробурения:

Чаще применяется виброударное бурение.

В качестве породоразрушающего инструмента при вибробурении применяются:

Для бурения вибрационным методом, также используются специальные самоходные буровые установки на базе автомобилей (реже на базе трактора или прицепа) с собственным источником энергопитания. Такие установки могут использовать, в качестве вспомогательного способа, ударное бурение.

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.

Борьба с вибрацией бурового снаряда

В процессе бурения скважины вращающаяся колонна БТ подвергается действию сил сжатия, центробежных сил и крутящего момента, в результате чего она приобретает форму спирали или стальной пружины, параметры которой — угол закручивания и шаг витков — определяются величиной действующих сил и диаметрами скважины и самих БТ. В такой системе, работающей в динамическом режиме, который характеризуется нестационарностью условий, возникают колебательные движения: крутильные, поперечные и продольные (осевые). По своей природе эти колебания могут быть вынужденными, вызываемыми действием возмущающих сил, и собственными колебаниями колонны. Амплитуда и частота колебаний могут быть разными. При совпадении частоты вынужденных и собственных колебаний наблюдаются резонансные явления — вибрация системы, — при которых частота и амплитуда колебаний (вибраций) увеличиваются.

Основные причины появления вибрации бурильной колонны: ее несбалансированность, наличие больших зазоров между БТ и стенками скважин, частые изменения величины крутящего момента и продольных усилий, действие сил трения, подклинивание или прихваты снаряда, пульсация промывочной жидкости в циркуляционной системе, неоднородность разбуриваемых пород и др.

Установлено, что продольные и крутильные колебания в значительной степени зависят от режима работы бурового снаряда, коэффициента трения БТ о стенку скважины и величины зазора между колонной труб и стенкой скважины. Поперечные колебания возникают главным образом под действием центробежных сил при вращении изогнутых труб. Появление вибраций прежде всего связывают с вращением колонны БТ. Частоту вращения, при которой появляется вибрация, принято называть критической. Практически величина критической частоты вращения не превышает 300—400 об/мин. Таким образом, факторы, определяющие причины возникновения вибраций, могут быть разделены на три группы: геологические, технические и технологические.

К числу геологических факторов относятся: перемежаемость пород различной твердости или с неоднородной структурой; трещиноватость или разрушенность пород; слоистость; сланцеватость; рассланцованность (при остром угле встречи оси скважины с плоскостью неоднородности); кавернозность; неустойчивость пород в стенках скважины, приводящая к образованию желобов и каверн, в которых возникает интенсивный изгиб БТ под действием продольных и центробежных сил.

Технические факторы могут быть связаны с конструкцией колонны БТ и ее параметрами, техническим состоянием труб и соединений, условиями работы бурильной колонны в скважине, техническим состоянием бурового станка и способом его закрепления. К техническим факторам, связанным с буровым снарядом и колонной БТ, относятся: криволинейность бурильных и колонковых труб; несоосность их соединений; разностенность за счет дефектов изготовления или появляющаяся при одностороннем износе труб или их соединений; недостаточная жесткость колонны БТ; применение муфто-замновых соединений; большие зазоры между БТ и стенкой скважины; многоступенчатость конструкции скважин; нецилиндричность ствола скважины; применение ПРИ, не соответствующих характеру разбуриваемых пород, с односторонним износом и другими дефектами.

Причинами появления вибраций могут стать неисправности бурового станка, его неправильный монтаж и нарушение правил эксплуатации: несоответствие масс фундамента и станка, его непрочное закрепление; негоризонтальность площадки, на которой устанавливается станок; недостаточная мощность привода станка, с чем связана неравномерность вращения колонны БТ; несовпадение осей шпинделя и скважины, эксцентричное положение ведущей бурильной трубы в шпинделе станка; большая длина выступающего конца ведущей трубы над шпинделем и ее несбалансированность за счет сальника и нагнетательного шланга; смещение ролика кронблока относительно оси скважины, что сказывается при работе со свободной подачей бурового снаряда, подвешенного на тросе; износ элементов бурового станка — втулок и штоков гидроподачи, зубчатых передач и валов; неравномерная подача масла в гидроцилиндр механизма подачи и др.

Технологические факторы связаны с нарушением технологии бурения скважины: чрезмерные величины усилия подачи и частоты вращения; слишком интенсивная промывка, с чем связаны пульсация жидкости и повышенное давление в БТ и др.

Проявление вибраций существенно сказывается на процессе бурения скважин: снижается его эффективность, увеличивается расход буровых инструментов, возрастает мощность, затрачиваемая на вращение бурового снаряда. Возникающие при этом колебания бурильной колонны особенно отрицательно сказываются на работе алмазного ПРИ, что связано с действием импульсных нагрузок, приводящих к преждевременному выходу его из строя. В связи с тем, что вибрации появляются при некоторых критических значениях частоты вращения, это приводит к ограничениям применения форсированных режимов бурения, в особенности с ростом глубины скважин. С отрицательным действием вибраций также связано разрушение и самозаклинивание керна в колонковой трубе, что приводит к уменьшению выхода керна, ухудшению его качества и сокращению величины углубки за рейс. Кроме того, вибрация бурильной колонны вызывает более интенсивный износ обсадных труб, нарушение цементного камня в затрубном пространстве, разрушение пород в стенках скважины, обвалы, сопровождающиеся образованием каверн, желобов, зашламованием скважины, заклиниванием и прихватами бурового снаряда.

Все это создает ненормальные условия работы бурового инструмента и оборудования, с чем связано увеличение числа аварий, снижение производительности труда и качества работ. Этим и определяются основные меры или способы борьбы с вибрацией бурового снаряда, которые могут быть разбиты на две категории: меры, способствующие устранению причин, вызывающих вибрации или уменьшающих вероятность их появления, и меры или средства, снижающие уровень или степень их действия. Очень важно при этом, чтобы при борьбе с вибрацией принимаемые меры касались всех источников — от бурового оборудования до ПРИ. Частичное решение этого вопроса мало эффективно.

К мерам, уменьшающим вероятность появления вибраций, относятся: выполнение правил монтажа и эксплуатации бурового оборудования и инструмента; применение качественной, хорошо сбалансированной колонны БТ соответствующего диаметра предпочтительно с ниппельными соединениями; применение УБТ; применение центраторов-стабилизаторов; использование ПРИ, соответствующих характеру разбуриваемых пород и без дефектов; применение рациональных режимов бурения, антифрикционных смазок и эмульсий, бурение скважины без смены диаметра ствола; применение ступенчатой колонны БТ при сложной конструкции скважины с целью уменьшения зазоров между трубами и стенкой скважины; применение расширителей-калибраторов для сохранения цилиндрической формы ствола; хорошее центрирование ведущей трубы в зажимных патронах шпинделя станка, при этом кривизна ведущей трубы не должна превышать 1 мм на 1 м ее длины.

Выступающая над шпинделем часть ведущей трубы диаметром 50 мм не должна превышать 2 м при частоте вращения 400—500 об/мин. Для предупреждения раскачивания верхнего конца ведущей трубы она должна быть раскреплена.

Кроме того, нужно принимать ряд профилактических мер: осуществлять систематический контроль за состоянием бурового оборудования и инструмента, своевременно выбраковывать изношенные элементы, применять контрольно-измерительную аппаратуру. Известно, что частота колебаний узлов станка и двигателя практически кратна частоте вращения двигателя или шпинделя станка. Поэтому буровой станок и двигатель необходимо прочно закреплять на достаточно жестком фундаменте, имеющем соответствующую массу. Двигатель внутреннего сгорания монтируют отдельно. Буровой станок должен быть исправен. Применяемые при алмазном бурении БТ должны быть прямолинейными, без одностороннего износа, а бурильная колонна гладкоствольной (с ниппельными соединениями) или близкой к этому по форме. Необходимо выдержать соотношение диаметров БТ и скважин в пределах 0,89—0,925. Положительно сказывается повышение точности изготовления БТ и их соединений. Установлено, что в наименьшей степени проявляются вибрации при работе с легкосплавными БТ в связи с тем, что они обладают хорошей демпфирующей (виброгасящей) способностью. Затухание колебаний ЛБТ в 1,6—4 раза интенсивней, чем в СБТ.

Учитывая, что появление вибрации связано с колебаниями бурового снаряда при наличии зазоров между трубами и стенкой скважин, действенной мерой устранения этой причины является уменьшение зазоров с помощью центраторов и стабилизаторов.

Центраторы применяют для предупреждения, изгиба нижней части колонны БТ, совмещения оси ее вращения с осью скважины. Известен целый ряд конструкций центраторов, применяемых в производстве. На рис. 20.1, а приведен центратор, состоящий из разъемного корпуса с резьбовым соединением и протектора. Для прохода промывочной жидкости в корпусе верхней части центратора сделаны специальные пазы — канавки.

Стабилизаторы предназначены для центрирования колонкового снаряда в скважине и предупреждения отклонений его верхней части от оси скважины. С этой целью прибегают к помощи так называемого стабилизирующего переходника, к которому присоединяют колонковую трубу и БТ (рис. 20.1, б). Переходник имеет увеличенную длину и диаметр, равный диаметру алмазной коронки. Для прохода промывочной жидкости на наружной поверхности стабилизирующего переходника сделаны каналы или ребра, между которыми проходит жидкость. Роль таких выступов могут играть твердосплавные вставки. При стабилизации бурового снаряда не только уменьшается вероятность появления вибраций, но и улучшаются условия работы ПРИ, резцы которого равномерно нагружаются и омываются потоком промывочной жидкости.

Антифрикционные смазки. Учитывая, что одной из причин, вызывающих вибрации, является действие сил трения БТ о стенки скважин, необходимо снижать коэффициент трения, применяя антифрикционные смазки и эмульсии. Это обеспечивает более равномерное вращение колонны БТ, снижает степень их износа и величину расходуемой мощности на их вращение. Кроме того, консистентная смазка в определенной степени поглощает энергию ударов БТ о стенку скважины, за счет чего снижается уровень вибрации. Практически доказано, что при использовании смазки, наносимой тем или иным способом на БТ, становится возможным увеличивать частоту вращения снаряда, что приводит к заметному увеличению механической скорости бурения (в 1,5 раза) и величины углубки на коронку в 1,2-1,3 раза. Кроме того, более чем в 2—3 раза уменьшается число обрывов БТ.

В практике бурения геологоразведочных скважин наиболее широкое распространение получили канифольные антивибрационные смазки (КАВС), рецептура приготовления которых была разработана ЦНИЛХИ и ВИТРом. Промышленностью освоен выпуск нескольких марок смазок: КАВС-40, КАВС-45, КАВС-58, КАВС-59, «Геол-1» и др.

Канифольные антивибрационные смазки характеризуются следующими свойствами: хорошо прилипают к мокрой поверхности труб и стенкам скважин; не смываются промывочной жидкостью; обладают высокими антифрикционными свойствами; высокой устойчивостью при низкой температуре; высокой температурой вспышки; неспособны к эмульгированию в промывочной жидкости любого состава (кроме щелочного) за исключением КАВС-40. При использовании таких смазок на БТ образуется упругий слой, способный противостоять ударным нагрузкам и гасить вибрации. При этом в скважине не образуется сальников.

Применение смазок возможно при бурении с водой любого состава или глинистого раствора (КАВС-40) и с водой не щелочного состава (КАВС-45, 58 и 49). Слой смазки не препятствует проведению исследований в скважине. Однако применение смазок исключает использование шлама с целью опробования залежей полезных ископаемых.

Некоторую сложность при использовании KABC представляет процесс ее нанесения на БТ. Существует несколько способов: смазка вручную; смазка при спуске БТ с помощью специальных приспособлений. Смазку труб вручную делают с помощью кисти при небольшой длине колонны БТ (150—200 м) и достаточной стойкости наносимого слоя (до 5 суток). При этом смазка должна быть нагрета до температуры 30—50° С.

Наиболее эффективным является нанесение смазки с использованием специальных приспособлений (рис. 20.2). Эти приспособления имеют вид стаканов с отверстием в дне, через которое проходят БТ. Такие стаканы устанавливают либо на торце направляющей трубы при бурении вертикальных скважин, либо опускают внутрь (подвешивают) в случае бурения наклонных скважин и использования труборазворота. Стакан при спуске БТ наполняется подогретой до 100—110оС смазкой. Нанесение слоя смазки обеспечивается резиновыми прокладками в дне стакана, охватывающими трубы. Диаметр отверстия в прокладках должен быть на 2—5 мм меньше диаметра БТ. Для прохода муфто-замковых соединений в прокладках делается 4—6 радиальных надрезов длиной 8—10 мм. Спускать БТ во время смазки необходимо с равномерной скоростью, не превышающей 2 м/с.

С целью механизации процесса нанесения смазки ВИТРом разработано специальное устройство УСК-2, состоящее из двух блоков: нагревательного и смазывающего. Смазывающий или накатный механизм состоит из металлического корпуса вместимостью 4,7 л, в который заливается смазка, с вырезом в дне для прохода БТ, смазкоподающих и смазывающих резиновых роликов, установленных на подвижных кронштейнах. Эта установка позволяет смазывать БТ с ниппельными и муфто-замковыми соединениями диаметром 42 и 50 мм. Качественная смазка получается при использовании катков из губчатой резины и при температуре смеси 50—70° С.

Во всех рассмотренных случаях заливаемая в емкости смазочных устройств смазка остывает, что снижает качество смазки и увеличивает расход материала. С целью устранения этого недостатка применяют приспособления с подогревом смазки в процессе нанесения ее на БТ.

Толщину слоя смазки, наносимой на БТ, можно регулировать скоростью спуска снаряда, температурой смеси и диаметром отверстия в резиновых прокладках. При уменьшении скорости спуска и температуры и увеличении диаметра отверстия толщина слоя возрастает. Для нормальных условий работы она должна составлять 0,4—0,5 мм.

Способность смазки удерживаться на поверхности БТ и на стенках скважин определенное время называется ее стойкостью. Зависит этот показатель от качества (состава) промывочной жидкости, скорости ее циркуляции по стволу скважины, диаметра БТ. При промывке водой стойкость достигает 7 сут, а глинистым раствором — не более 2 сут. В случае наличия в промывочной жидкости щелочи стойкость нигролоканифольной смазки снижается до 3—5 ч.

Применение KABC имеет определенные недостатки, связанные с затратой времени на смазывание БТ и необходимостью многократного повторения этой операции, ухудшением условий работы буровой бригады с точки зрения санитарии и техники безопасности, возможностью перекрытия узких зазоров сальниками, необходимостью чистки скважин перед проведением каротажных работ и др. Более прогрессивным является применение эмульсионных промывочных жидкостей, которые обладают достаточно высокими смазочными и антивибрационными свойствами. Кроме того, такие жидкости с добавками ПАВ повышают эффективность разрушения породы на забое, за счет понижения ее твердости, и соответственно стойкость алмазного ПРИ.

ВИТРом и другими организациями разработан целый ряд эмульсионных растворов, для приготовления которых используются определенные вещества или добавки: эмульсии из кожевенной эмульгирующей пасты; эмульсии на основе омыленной смеси гудронов (ОСГ); мылонафтовые эмульсии; эмульсии на основе сульфатных мыл; эмульсии на основе лесо- и нефтехимических эмульсолов (ЭЛ-4, ЭН-4 и СТП-10); эмульсии на основе нигрола и ПАВ (ОП-7, ОП-10); «Ленол-10», «Ленол-32» и др.

Существует несколько способов приготовления эмульсий: механическим перемешиванием с помощью ультразвуковых установок или низкочастотных вибрационных устройств. Наиболее эффективным из них является способ, основанный на использовании ультразвукового эффекта, при котором вещества хорошо диспергируют и растворяются. Такая установка создана партией новой техники ПГО «Красноярскгеология» совместно с лабораторией «Краснопромавтоматика». Она содержит гидродинамический излучатель и обеспечивает приготовление эмульсии в больших объемах и требуемого качества.

Механические виброгасители или амортизаторы. Применение в практике бурения скважин средств устранения причин возникновения вибрации колонны БТ не всегда дает положительный эффект, поэтому в ряде случаев прибегают к использованию специальных устройств, снижающих уровень действия вибраций путем их гашения. Такие устройства получили название механических вибро-гасителей или амортизаторов.

Чтобы исключить действие вибрации, создаваемой буровым станком, прибегают к помощи поверхностных амортизаторов, устанавливаемых в устье скважины. Для устранения вибраций, действующих на ПРИ, используются забойные амортизаторы. По своей конструкции амортизаторы предназначены для гашения продольных, поперечных и крутильных колебаний или продольных и поперечных одновременно. Наибольшее распространение получили забойные амортизаторы ЗА-6 и ЗА-7 конструкции ЦНИГРИ и амортизаторы крутильных колебаний А К-2 и АК-2М.

Амортизатор ЗА-7 (рис. 20.3, а) состоит из переходника, корпуса, втулки, стальной тарельчатой пружины, муфты и шлицевого вала. При действии нагрузки (вибраций) тарельчатая пружина 4 сжимается и переходник 1 с корпусом 5 и шлицевой муфтой б перемещаются относительно трубки 3 и шлицевого вала 7, который соединяется с буровым снарядом. Таким образом, энергия, формирующаяся за счет вибрации колонны БТ, расходуется на сжатие тарельчатой пружины и перемещение массы. Амортизатор ЗА-7 имеет аналогичную конструкцию, отличаясь деталями и характеристикой. Амортизаторы устанавливаются непосредственно над колонковым снарядом. Моторесурс одного амортизатора составляет 200-400 ч.

Амортизатор крутильных колебаний АК-2М (рис. 20.3, б) состоит из переходника 1, корпуса 2, штока 3, резиновых стержней 4 и упорного подшипника 5. При вращении бурового снаряда крутящий момент передается от переходника через корпус и четыре резиновых стержня на шток. Осевая нагрузка в этом случае от переходника передается на шток через опорный подшипник. Амортизатор разработан в двух вариантах — для работы с коронками диаметром 76 и 59 мм. Применение такого амортизатора особенно эффективно при бурении сильно трещиноватых пород, когда происходит частое самозаклинивание керна.

Вибрационный способ бурения скважин

На сегодняшний день существуют различные способы бурения скважин. Наиболее популярные из них – вращательные и ударные методы. Одна из современных и минее популярных технологий – вибрационная. Она имеет множество особенностей, определенные преимущества и недостатки, с которыми необходимо ознакомиться подробнее.

Что такое вибрационное бурение

Вибрационное бурение подходит для создания горизонтальных и наклонных скважин, для обустройства точек забора воды.

Прежде чем устанавливать и запускать оборудование, создается 2 котлована. Начальное углубление в земле предназначено для установки бурильного агрегата. Второй котлован – приемный. Он нужен для того, чтобы бур остановился по достижению требуемой глубины. Для ускорения процесса бурения, могут обустраиваться промежуточные котлованы, которые располагаются на удаленности друг от друга не более 15 метров.

После установки оборудования на исходную позицию, в самую нижнюю часть котлована погружается вибромолот, выставляется так, чтобы дойти до приемного “кармана”. Средняя скорость заглубления рабочей части в грунт – 30 см за минуту (зависит от плотности грунта). Когда рабочая часть пробьет стенку приемного котлована, оборудование автоматически отключается.

Особенности технологии

У технологии вибрационного бурения скважин есть несколько характерных особенностей, которые отличают ее от других методов обустройства скважин. Основные из них:

Ограничение глубины бурения вибрационным методом обуславливается снижение эффективности процесса продвижения в грунте с увеличением глубины.
За счет создания сильных вибраций, данная технология эффективна при прохождении через различные труднобуримые породы. Самая низкая эффективность бурения – на плывунах.
С помощью вибрационного способа можно бурить только физически уплотняемые породы грунта. При этом самые слабые скальные породы пробурить не получится. Это обуславливается тем, что в процессе бурения, упругие волны полностью рассеиваются в таких типах грунта.
Вибрационная технология позволяет не только создавать новые скважины, но и восстанавливать поврежденные трубопроводы, не выкапывая их из земли.

Преимущества и недостатки

Преимущества вибрационного бурения:

поверхность земли не повреждается, не нужно разрушать покрытие поверх почвы, демонтировать коммуникации;
достаточно дешевый рабочий процесс, так как не нужно привлекать большое количество людей для управления оборудованием;
можно обустраивать скважины даже в слабых типах грунта;
небольшие габариты бурильной установки.

Недостатков у данной технологии несколько. Во-первых, по мере обустройства скважины, продвижения вниз, нельзя изменять направление движения рабочей части оборудования. Во-вторых, для правильного и эффективного бурения шахты под точку водозабора, нужно подготавливать два котлована – приемный и стартовый. В-третьих, есть определенные ограничения по максимальному диаметру скважины, ее протяженности. В-четвертых, для управления оборудованием, важно обладать профессиональными навыками.

Устройство оборудования для вибрационного бурения

Оборудование для бурения скважин вибрационным методом состоит из нескольких конструкционных элементов, которые соединены между друг другом в одну систему:

виброзонд;
бурильная колонка;
вибромолот;
панель управления;
канат;
ролики;
компрессор;
лебедка;
электрический кабель.

Основная часть оборудования, с помощью которой выполняется процесс бурения – пневмопробойник или вибромолот.

Второе название вибрационного бурения – неуправляемый прокол грунта. Ее начинаю в подготовленном заранее котловане небольшой глубины. Несмотря на то, что положение рабочей капсулы в процессе бурения изменять невозможно, в современном бурильном оборудовании она не отклоняется от намеченного заранее курса.

Вибрационная технология бурения скважин пользуется достаточно низкой популярностью из-за своих узкоспециализированных возможностей в плане применения. На практике подобное оборудование чаще всего применяется для обустройства скважин глубиной от 25 до 30 метров в рыхлых породах грунта.

Читайте также: