ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.06.2024
Просмотров: 82
Скачиваний: 0
Б . М. Р Е Б Р И К
ВИБРАЦИОННОЕ
БУРЕНИЕ
СКВАЖИН
Б. М. РЕБРИК
ВИБРАЦИОННОЕ
БУРЕНИЕ
СКВАЖИН
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА»
М о с к в а 1974
УДК 622.243.954
Л'- ё З У З
Ребрик Б. М. Вибрационное бурение скважин. М., «Недра», 1974. 192 стр.
В книге в систематизированном виде изложены вопросы тех ники и технологии вибрационного бурения неглубоких скважин в мягких грунтах. Широко обобщен отечественный и зарубежный опыт вибробуреиня. Рассмотрена теория вибрационного и виброударного бурения. Описаны технические средства для вибробу рения. Большое внимание уделено технологии бурения скважин.
Рассмотрены осложнения |
при вибробурепни |
и |
приведены меры |
||||||
по их предупреждению и устранению. Описана |
геологическая |
||||||||
документация и техника безопасности при вибробуренин. |
|
||||||||
Книга предназначена для инженерно-технических работников |
|||||||||
производственных |
геологоразведочных и |
изыскательных |
»реали |
||||||
зации. Она |
может |
быть |
полезна |
работникам |
научно-исследова |
||||
тельских н |
конструкторских |
организации, |
создающих |
вибро |
|||||
механизмы. |
34. иллюстраций |
59, |
список |
литературы — 117 иазв. |
|||||
Таблиц |
Р |
0294—18 |
© Издательство «Недра», 1974. |
207—74 |
||
|
043(01)—74 |
|
ВВЕДЕНИЕ
Вибрационное бурение относится к числу наиболее эффектив ных способов проходки неглубоких скважин в нескальных грунтах. Отличительными его особенностями являются низкая стоимость, высокая производительность, удовлетворительное ка чество получаемой геологической и инженерно-геологической информации о грунтах.
Под вибрационным бурением понимается способ, при кото ром буровой инструмент внедряется в грунт с помощью вибра ционной или ударно-вибрационной машины. Процесс вибробуре ния осуществляется последовательными рейсами. Породоразру шающий инструмент выполняется кольцевого типа, что позво ляет вырезать столбик грунта, по которому после извлечения последнего на поверхность устанавливают строение изучаемого геологического разреза.
Вибрацию в строительных целях начали использовать в
СССР в 30-х годах. В дальнейшем ее применили для погру жения различных элементов в мягкие грунты. Первые сведения об этом были опубликованы в 1935 г. Д. Д. Барканом, Ю. Я. Штаерманом и К. Н. Добровольским. Вибрационное уст ройство для выемки грунта впервые было предложено И. М. Пущевым в 1939 г. Однако начало промышленного применения вибромашин относится к 1949 г., когда механическими вибра торами, разработанными НИИоснований, были погружены ты сячи тонн шпунта на строительстве ряда промышленных объ ектов. В последующем в разработку машин для этих целей большой вклад внесли О. А. Савинов, А. Я. Лускмн, Б. П. Та тарников. Создание в начале 50-х годов вибромолота, совместив шего вибрацию с ударами, наносимыми колеблющейся массой по погружаемому элементу, позволило резко интенсифициро вать процесс погружения [88].
Успешное применение вибрационных машин для погруже ния и выдергивания шпунта и сохранение в замках поднятых шпунтин столбиков грунта послужило основанием Д. Д. Барка-
3
11у и В. Н. Туликову внести в 1949 г. предложение о примене нии этих машин для бурения геологоразведочных скважин.
Существенный вклад в развитие вибробурения внес М. Г. Ефремов [46]. В его работах были освещены вопросы ре жимов колебаний пружинного вибромолота, выбора веса удар ной части вибромолота и т. д.
Большую серию исследований по созданию различных кон струкций впбровозбудителей, предназначенных в основном для
ликвидации аварий при бурении, провел П. |
Ф. Пальянов [67]. |
В 1950—1955 гг. были опубликованы работы |
О. А. Савинова, |
А. Я. Лускина, В. М. Пажи, М. Г. Цейтлина, М. Л. Шейкова, Д. А. Алексеева, А. М. Гельфгата, М. Г. Кривенко и других исследователей, в которых рассматривались различные сторо ны процесса вибробурения, осуществляемого главным образом поверхностными вибровозбудителями.
В 1959 г. вышла в свет работа Б. М. Гуменского и IT. С. Ко марова [40], в которой анализировались физико-химические про цессы, происходящие в грунте при внедрении в него вибрирую щего инструмента. В том же году была опубликована работа Д. Д. Баркана [9], где излагались теоретические основы вибро машин и вибропогружения в грунты, а в 1960 г .— работа О. А. Савинова и А. Я. Лускина [79], также сыгравшая значи тельную роль в развитии вибробурения. Обобщение теории виб рационных машин сделано в работе И. И. Быховского [23].
Вопросы технологии вибрационного |
бурения |
исследовались |
А. М. Яковлевым; режимы бурения |
скважин |
поверхностным |
беспружинным вибромолотом при инженерно-геологических изы сканиях— А. 3. Левицким; вопросы механизации бурения сель скохозяйственных скважин на воду вибрационным способом — И. А. Лозовским. Ряд вопросов вибрационного бурения осве щен в работах автора, опубликованных в 1957—1970 гг.
За прошедшее время, т. е. с 1949 г., в развитие вибробуре ния большой вклад внесен многими организациями, в том числе НИИоснований, Гидропроектом, Мосгоргеотрестом, Ленинград ским горным институтом, Томским политехническим институтом, Ленгипротрансом, Ленгипроводхозом, ВНИИстройдормашем, СКВ МГ СССР, Северо-Западным геологическим управлением, Центрально-Казахстанским геологическим управлением, ЦТИСИЗом, ГорьковТИСИЗом, ПНИИИСом и др. Разработкой теории, исследованием и внедрением вибромеханизмов для бу рения грунтов помимо названных авторов успешно занимались: А. М. Ашавский, А. Г. Багриновский, Д. Н. Башкатов,
И.И. Блехман, Л. В. Беспалова, А. В. Васильев, А. К- Ветров,
А.А. Волков, Д. П. Высоцкий, С. Д. Джолос, В. Г. Кардыш, Л. И. Куник, А. Э. Лейтгольд, С. И. Лукомский, Ю. М. Лычко, О. П. Медведев, С. А. Осмаков, Д. С. Плинер, В. А. Страхаль,
А.К. Токарев, А. Г. Фомин, Ф. А. Шамшев, О. Я. Шехтер и др. Накопленным к настоящему времени опытом установлены
4
следующие области рационального использования вибромашин для бурения скважин. При статическом моменте массы деба лансов 1,5—2,5 кг-м*, частоте колебании 1000—1500 кол./мин и весе 350—700 кг поверхностные вибропогружатели целесооб разно использовать для бурения скважин в песчаных, супесча ных, суглинистых, глинистых и отчасти крупнообломочных и на сыпных грунтах глубиной до 30 м (преимущественно до 15 м), диаметром до 219 мм ** с отбором керна по всему интервалу бурения. В указанных условиях вибромашины позволяют повы сить производительность буровых работ в 2—3 раза и снизить их стоимость в 1,5—5 раз. Вибромашины с более низкими пара метрами следует использовать для бурения скважин в тех же грунтах глубиной до 5— 6 м, диаметром до 108 мм. Погружные вибромашины могут быть использованы для бурения скважин глубиной более 30 м.
Помимо бурения скважин в грунтах вибрационная техника может быть использована для погружения и извлечения обсад ных труб, ликвидации аварий в скважинах, связанных с при хватом снаряда на забое, очистки зондов и колонковых труб, вибровращательного бурения крепких и мягких пород, разглинизации стенок скважин, интенсификации приготовления гли нистого раствора и др.
В настоящее время вибрационное бурение прочно вошло в практику изыскательских и геологоразведочных работ. Широко му промышленному освоению вибробурения в немалой степени способствовала организация серийного выпуска вибробурового оборудования и разработка нормативно-методических докумен тов, регламентирующих область применения и основные показа тели этого сравнительно нового способа проходки скважин.
В основу написания предлагаемой читателю книги легли результаты обобщения имеющихся литературных источников, а также материалы многолетних теоретических, эксперименталь ных и опытно-производственных исследований автора.
Автор выражает глубокую благодарность И. И. Быховскому, оказавшему большую помощь в подготовке рукописи к изданию, а также Б. И. Воздвиженскому, Н. И. Куличихину, Ф. А. Шамшеву, В.. С. Владиславлеву, Н. В. Тихонову, Д. Н. Башкатову, О. А. Савинову, Н. В. Коломенскому, Л. Э. Графу, чьей неиз менной поддержкой он пользовался в течение многих лет своей работы.
*Все параметры и расчеты в книге даны в системе СИ; вес выражен в единицах массы.
**Диаметр скважин здесь л в дальнейшем указан по стандартизованно му наружному диаметру обсадных труб геологоразведочного сортамента.
5
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА ВИБРАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ |
11. |
Под колебаниями в широком смысле слова понимают изме |
|
нения какой-либо величины, характеризующиеся |
поочередным |
ее возрастанием и убыванием. Учение о колебаниях составляет основу ряда областей физики и техники. Хотя колебания, рас сматриваемые в различных областях, например, в механике, радиотехнике, акустике и др., отличаются друг от друга своей физической природой, основные законы этих колебаний во всех случаях одинаковые. Простейшим случаем колебаний являются колебания точки. Они представляют собой движение, при кото ром точка каждое из своих положений (кроме крайних) на траектории проходит поочередно в противоположных.направле ниях. Колебания точки являются частным случаем механиче ских колебаний. При механических колебаниях во времени ме няется колебательным образом либо координата, либо ее про изводные, либо и то, и другое. При рассмотрении прямолиней ных колебаний абсолютно твердого тела изучение движения его точек заменяют изучением движения одного центра масс. Этим способом мы нередко будем пользоваться в дальнейшем.
Основные понятия и кинематические характеристики механи ческих колебаний рассмотрим на примере колебаний точки мас сой т, движущейся под действием восстанавливающей силы F [84]. Под восстанавливающей силой понимается сила, прило женная к точке в направлении, противоположном ее смещению от положения устойчивого равновесия, и возникающая вследст вие этого смещения. Сила F стремится вернуть точку в равно весное положение. Рассмотрим случай, когда восстанавливаю щая сила пропорциональна смещению х (коэффициент пропор циональности равен с).
6
Найден закон движения точки. Составляя дифференциальное уравнение, получаем
т |
d-x |
( 1 ) |
---- = — сх. |
||
|
dt2 |
|
Деля ю.бе части равенства на пг и вводя обозначение |
|
|
|
— - k2, |
( 2) |
приводим уравнение к виду |
|
|
— |
+ k2x = 0. |
( 3) |
dp |
|
Уравнение (3) представляет собой дифференциальное урав нение свободных колебаний при отсутствии сопротивления. Ре шение этого линейного однородного дифференциального урав нения второго порядка ищут в виде x — t nt. Полагая в уравнении
(3) x —ent, получаем для определения п |
характеристическое |
уравнение, имеющее вид |
|
л* + /г2 = 0. |
(4) |
Поскольку корни этого характеристического уравнения являются
чисто мнимыми |
(лі.2= ± іА) , общее решение |
может |
быть запи |
|||
сано в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
X = Сгsin kt -f С%cos kt, |
|
|
(5) |
|
где C\ и |
C2— постоянные |
интегрирования. |
Нели |
вместо |
по |
|
стоянных |
СI и |
С2 ввести |
постоянные а и |
фо, такие, что |
сі= |
|
— а cos фо, С2= а sin фо, то получим |
|
|
|
|||
или |
|
X а (sin kt cos ф0 +'cos kt sin ф0) |
|
(6) |
||
|
X — asin(W + ф0). |
|
|
(7) |
||
|
|
|
|
Это другой вид решения уравнения (3), в котором постоян ными интегрирования являются а и фо. При исследованиях ко лебаний им пользоваться удобнее.
Скорость точки в рассматриваемом движении равна
ѵх = X = ak cos (kt + ф0). |
8 |
( ) |
Ускорение разно
Wx — x — — ak2sin (kt + Фо). |
(9) |
Простым дифференцированием уравнения (7) можно найти какую угодно производную смещения. Обычно необходимости в более высоких производных, чем вторая, не возникает. В об щем случае наличие не равной нулю третьей производной сви
7
детельствует, что сила, действующая на точку, является пере менной. Величина третьей производной как раз и характери зует интенсивность изменения силы во времени.
Колебания, совершаемые по закону (7), называются гармо ническими колебаниями. Под гармоническими понимают сину соидальные колебания, т. е. такие, при которых отклонение колеблющейся величины от ее среднего значения является
синусоидальной функцией времени. Заметим, что. гармониче скими колебаниями при противопоставлении их субгармониче ским или супергармоническим колебаниям называют такие вы нужденные колебания, частота которых равна частоте вынуж дающего воздействия. Очевидно, что гармонические колебания являются периодическими, т. е. такими, при которых состояние колеблющейся точки полностью повторяется через равные про межутки времени.
Всем характеристикам гармонических колебаний можно дать наглядную кинематическую интерпретацию. Рассмотрим точку В, движущуюся по окружности радиуса а с постоянной угловой
скоростью со = й |
из положения В0, |
определяемого |
углом |
ср0 |
||
(рис, 1). Тогда |
в произвольный момент времени |
t угол |
ср = |
|||
= Фо + kt и легко видеть, что проекция М точки |
В на ось х дви |
|||||
жется по закону |
л'='аэіп (ft^+cpo), |
где |
х = ОМ, |
т. е. совершает |
||
гармонические колебания. |
|
отклонению |
точки М |
от |
||
Величина а. равная наибольшему |
центра колебаний, называется амплитудой колебаний. Величи на ср=/гг;+ ф0 называется фазой колебаний. Величина фо опреде ляет фазу начала колебаний (начальная фаза). Величина к, совпадающая с угловой скоростью вращения радиуса OB, на зывается угловой частотой колебаний. В рассматриваемом слу чае угловая частота соответствует частоте так называемых соб ственных колебаний точки.
Промежуток времени Т, в течение которого точка совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний. По
8