Файл: Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин.pdf

гаются в вырезах корпуса стакана. Затем штырь вынимается, поршень поднимается в верхнее положение и вновь фиксируется пальцем.

Применение поршневых стаканов указанной конструкции позволяет улучшить качество геологической документации, сократить затраты времени на вспомогательные операции при бурении, облегчить труд буровых бригад, увеличить долговеч­ ность стаканов.

Внедрение новых методов и приспособлений для очистки зон­ дов и стаканов от грунта позволит повысить производительность вибробурения и сократить объемы применения ручных операций.

ВИБРАЦИОННО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ

При встрече твердого прослоя грунта значительной мощности его разбуривание при вибробурении может представить непре­ одолимые трудности. В этом случае желаемые результаты может дать только вращательное бурение. Необходимость в нем, хотя и не является повсеместной, возникает довольно часто. Прослои крупнообломочных грунтов, насыпной строительный мусор, мерзлые грунты при вибробурении преодолеваются значительно эффективнее, если вибрация снаряда совмещается с вращением. Таким образом, самой практикой проведения вибробуровых ра­ бот ставится задача создания вибрационно-вращательных агрегатов.

Автором вместе с работниками Гидропроекта и ГорьковТИСИЗа предложено вибробуровой агрегат АВБ2М оснащать навесным вращателем с электроприводом (рис. 49).

Т е х н и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а в р а щ а т е л я

Вращатель представляет собой простейшее устройство и со­ стоит из корпуса, червячного редуктора, электродвигателя (в торцовом исполнении), муфты и направляющих, с помощью которых обеспечивается вертикальное перемещение вращателя вдоль мачты. На каретке редуктора имеется замкнутая полость для наполнения ее чугунной дробью с целью увеличения веса.

Поскольку привод вращателя осуществляется от генератора агрегата посредством кабеля, процесс замены вибромолота вра­ щателем чрезвычайно прост: достаточно снять вибромолот,

135

завести в направляющие мачты вращатель и подсоединить кабель (с использованием штепсельного разъема). В большин­ стве случаев вращатель на виброагрегате АВБ2М предпола­ гается использовать эпизодически, поэтому оснащать его прину­ дительной подачей вряд ли целесообразно. К тому же в качестве

Рис. 49. Схема ізнбробурового агрегата АВБ2М, оснащенного навесным вра­ щателем:

пригруза может 'быть использован вибропогружатель ВБ7 агрегата весом 400 кг. В отдельных случаях для этих целей может быть предусмотрена ручная лебедка. В принципе не исключается одновременная работа вращателя и вибропогру­ жателя.

Опытный экземпляр вращателя изготовлен Горьковским заводом «Двигатель революции». Во время испытаний было про-

136

буреио несколько скважин. Средняя рейсовая скорость враща­ тельного бурения составила 11 м/ч. Испытания показали, что вращатель успешно может использоваться не только для буре­ ния плотных грунтов медленновращательным способом, но и для отбора монолитов обуривающим способом.

В течение 1970—1972 гг. значительные работы по вибра­ ционно-вращательному бурению были проведены Машинострои-

..

Рис. 50. Породоразрушающий лнструмент для вибрационно-вращательного бурения грунтов:

а — инструмент диаметром 76 мм для экспериментального бурения; б — коронка диаметром 168 мм.

тельным заводом им. Воровского. Выявление основных законо­ мерностей вибрационно-вращательного бурения проводилось на специально изготовленной для этой цели опытной установке. Для проверки полученных результатов бурились скважины про­ мышленной установкой.

Разрушение грунта при вибрационно-вращательном бурении производится совместным воздействием ударных импульсов и крутящего момента. Поэтому породоразрушающий инструмент должен сочетать в себе элементы инструмента для вибробурения и коронок, предназначенных для вращательного бурения. Существующие твердосплавные коронки не могут использо­ ваться для этой цели вследствие большого лобового сопротивле­ ния. До последнего времени специального породоразрушающего инструмента для вибрационно-вращательного бурения нескаль­ ных грунтов не существовало. На рис. 50, а и б показаны не­ которые типы породоразрушающего инструмента, созданные на Машиностроительном заводе им. Воровского. Рабочая часть коронки выполнена в виде конуса, причем с внутренней стороны также имеется небольшой скос с углом 4°. Коронка оборудована зубьями, армированными твердосплавными резцами, выступаю­ щими над торцом коронки на 15 мм. Ширина резцов, как пра­ вило, больше толщины стенки коронки.

137

В процессе бурения при вращении снаряда происходит сре­ зание и вытеснение грунта, объем которого равен произведению площади кольца, образуемого резцами, на величину погружения коронки в единицу времени. В разрыхленную кольцевую зону грунта коронка под действием наносимых ударов внедряется на большую глубину, чем в неразрыхленный грунт. Скошенная часть коронки уплотняет стенки скважины и отчасти керн. Твердые включения также оттесняются в сторону и не препятст­ вуют погружению снаряда. Для уменьшения сопротивления вра­ щению снаряда толщина стенки зонда должна быть существенно меньше толщины стенки коронки (для зонда диаметром 168 мм эта разница должна составлять 8— 10 мм).

дебалансами. Исследования проводились путем бурения сква­ жин диаметром 76 мм, глубиной 10 м. При этом изменялись как скорость вращения снаряда, так и момент дебалансов вибро­ молота. Разбуривались пластичные глины и пески с включением галек размером от 3 до 30 мм.

Исследования показали, что при скорости вращения дебалан­ сов 1200 об/мин наибольшая скорость бурения соответствует скорости вращения снаряда 55—65 об/мин. При использовании дебалансов с повышенным моментом скорость вращения сна­ ряда увеличивается.

Сила трения, возникающая между ведущей трубой п шпин­ делем вращателя, при поступательном движении трубы при ударе значительно снижает эффективность вибрационно-враща­ тельного бурения. Так как бурение ведется без промывки сква­ жины, крутящий момент, затрачиваемый на вращение снаряда, достигает большой величины. Наибольший крутящий момент при бурении скважины диаметром 76 мм в вязких глинах дости­ гал 5000 Н-м. При этом сила трения скольжения ведущей трубы о шпиндель составила 7800 Н.

Для снижения силы трения во вращателе был установлен шпиндель, передающий крутящий момент ведущей трубе через ролики, вращающиеся на подшипниках качения. Был пробурен новый ряд скважин. Экстремальное значение скорости бурения соответствует также 55—60 об/мин, однако абсолютная вели­ чина ее возросла до 37 м/ч. При бурении скважин вибрацион­ ным способом средняя скорость бурения составляла 8,3 м/ч. Совмещение вибрационного способа с вращательным с переда­ чей крутящего момента через элементы качения повысило меха­ ническую скорость бурения в 4,5 раза.

Для проверки эффективности исследуемого способа было проведено опытное бурение скважин в Пышминской геолого­ поисковой экспедиции Уральского ТГУ. Бурение проводилось самоходной установкой СБУЭМ-150-ЗИВ, оснащенной вибро­ молотом ВБ7 и низкооборотным роторным вращателем, пере­

138

дающим крутящий момент ведущей трубе через роликовые эле­ менты качения. Скорость вращения снаряда составляла 47 об/мин. Статический момент дебалансов 200 кг • м.

Скважины диаметром 168 мм бурились по глинам, мерзлым грунтам, породам с примесью строительного мусора и шлака. Бурение скважин промышленной установкой подтвердило эф­ фективность вибрационно-вращательного способа бурения, осо­ бенно в мерзлых грунтах. Средняя скорость бурения в мерзлом слое вибрационным способом составила 21,3 м/ч. При бурении этого же мерзлого слоя совмещенным способом с использова­ нием вышеописанного породоразрушающего инструмента ско­ рость возросла до 116 м/ч.

При вибробурении насыпных грунтов со строительным мусо­ ром и шлаком скорость бурения быстро падала до нуля. Совме­ щенным способом с использованием коронки с сильно выступаю­ щими зубьями эти участки были пройдены со скоростью 14 м/ч.

Вибрационно-вращательный способ бурения грунтов отно­ сится к числу весьма эффективных, поэтому необходимы его дальнейшая разработка и совершенствование. Особое внимание следует уделить изучению технологии бурения и созданию ра­ циональных конструкций породоразрушающего инструмента.

ВИБРОБУРЕНИЕ В ОСЛОЖНЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

При проведении вибробуровых работ могут встретиться слож­ ные случаи бурения. К ним относится бурение насыпных, мерз­ лых, крупнообломочных, несвязных песчаных и плывунных грун­ тов, а также бурение скважин глубиной более 15—20 м. Опре­ деленные трудности представляет также преодоление отдельных прослоев скальных и полускальных грунтов.

Насыпной слой грунта первоначально следует пробивать пикобуром. Причем может оказаться, что последующее бурение зондом диаметром, например, 168 мм невозможно. В этом слу­ чае следует применить зонд диаметром 89 мм или 108 мм и за­ тем перейти на зонд диаметром 168 мм. Если насыпной грунт находится в мерзлом состоянии, только такая технология позво­ ляет произвести забуривание скважины.

. Крупнообломочные грунты бурятся зондами с зубчатой коронкой с проворачиванием инструмента вручную.

Для бурения значительных толщ водоносных песков с тон­ кими прослоями глин и суглинков может быть рекомендован способ, разработанный в Украинском отделении Гидропроекта. Этот способ состоит в следующем. Колонна обсадных труб, обо­ рудованная в нижней части башмаков с клапанами, с помощью вибромолота (в частности ВГ-6 ) погружается на полную глу­ бину скважины. Внутри каждой обсадной трубы размещается незамкнутая тонкостенная металлическая гильза. После буре­ ния скважины трубы вместе с керном поднимают на поверх­

139

ность, развинчивают и из них извлекают гильзы с керном, по которому устанавливают строение геологического разреза. Ука­ занный способ позволяет изучить геологическое строение песча­ ного разреза до глубины 15 м и более. Следует отметить, что использование широко применяемого для этих целей ударно-

600 мм). Такие скважины необходимы для производства штамповых испытаний, отбора качественных монолитов и т. д. Если площадка сложена слабыми грунтами, бурение таких скважин может производиться виброспособом (рис. 51). Для этой цели следует использовать ячеистый забивной стакан • (с вертикаль­ ными перемычками). Вибромолот устанавливается непосредст­ венно над стаканом. Спуско-подъемные операции производятся на канате. Такой способ бурения может применяться только при отсутствии в скважине воды. Способ предложен в ПНИИИСе и успешно применялся в Теплоэлектропроекте и других организациях.

При вибробурении скважин глубиной более 15—20 м следует

140