Буровой инструмент для ударно-канатного бурения

2. 2. Группа видов бурения «бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента».

В эту группу входят пять видов бурения, объединенные тремя общими признаками: -

- относительно небольшая глубина скважин (до 60 метров);

- отсутствие циркуляции очистного агента;

- мягкие и слабые полускальные породы (породы I - IV категорий по буримости).

1) Мелкое ударное бурение с кольцевым забоем («ударное бурение стаканами» или «ударное бурение грунтов»). Этот вид бурения, в основном, применяется для получения качественных образцов (монолитов) в связных грунтах I – III категорий при инженерно-геологических изысканиях. Глубина до 30 метров. (рис. 2 а).

2) Комбинированное медленно-вращательное и ударное бурение. Применяется для инженерно-геологического бурения в породах с включениями твердых прослоек и валунов (медленно-вращательное грунтоносами в мягких породах (рис. 2 б), ударное – долотами в твердых прослойках (рис. 1). Глубина скважин до 60 м (применяется редко).

3) Бурение задавливанием (статическое зондирование) и винтобурение. Применяется для инженерно-геологического изучения свойств грунтов без подъема образцов за счет информации с датчиков или по сопротивлению внедрению конуса на штангах. До 24 метров задавливанием и до 40 метров - винтобурение (рис. 3 в).

4) Вибробурение (разновидности: вибрационное, виброударное, виброударно-вращательное). Применяется для бурения инженерно-геологических и технических скважин при строительных работах, а также при разведке россыпных месторождений. Вибрационное - в породах I - III категорий, виброударное до IV категории глубиной до 30 м, виброударно-вращательное глубиной до 40 метров и более (рис. 2 г).

Рис. 2

Перечисленные разновидности бурения неглубоких скважин главным образом применяются для инженерно-геологических изысканий. При проведении этих изысканий кроме непосредственно механических исследованиях полученных при бурении образцов пород, широко применяются геофизические исследования в скважинах. В первую очередь методы электроразведки (вертикальное электрозондирование ВЭК) для изучения и уточнения свойств пород, наличия и параметров водопроявлений, интерполяции точечных данных инженерно-геологических измерений. Для определения объемной массы пород, влажности пород, изучения карстовых явлений, оползней и зон многолетнемезлых пород используются радиоактивные методы геофизических исследований ГК, ГГК, ННК.

5) Шнековое бурение.

Особого внимания заслуживает шнековое бурение. Во всех предыдущих разновидностях бурения этой группы, при внедрении инструмента, порода частично (или полностью при задавливании) вдавливалась в стенки скважины, а основная часть поднималась на поверхность внутри бурового инструмента при его подъеме. При шнековом бурении, разрушаемая порода с забоя скважины непрерывно, и одновременно с углубкой, поднимается на поверхность, благодаря свойству шнеков транспортировать сыпучие обломочные и пластичные материалы.

Шнековое бурение может осуществляться по сплошному забою с подъемом всей разрушаемой породы на поверхность в разрушенном виде; бурением по кольцевому забою колонковым шнеком с подъемом ненарушенного образца породы в колонковом шнеке (для инженерной геологии); с пустотелой колонной шнеков для доставки на забой заряда ВВ. (взрывные скважины, сейсмоскважины) и для установки фильтра (водозаборные и дренажные скважины), а также для подъема образцов породы съемным керноприемником при геологоразведке.

Шнековое бурение – самое распространенное из видов бурения данной группы. Применяется для бурения геологоразведочных, инженерно-геологических, мелких водозаборных, взрывных (для геофизической сейсморазведки и для разработки месторождений) и других технических скважин диаметром от 60 мм до 1200 мм (последние уже шурфоскважины) глубиной до 60 метров в породах от I до V категорий.

Поскольку шнековое бурение широко применяется, в том числе и для геофизических исследований, рассмотрим этот способ бурения подробнее.

. На рис. 3 представлены пустотелые шнековые колонны для спуска на забой зарядов ВВ. для взрыва при сейсморазведке(рис. 3 а и б).В первом случае на нижнем конце шнековой колонны закрепляется съемное долото, зафиксированное шариковым замком. После окончания углубки скважины специальным ловителем на тросе долото извлекается и на забой спускается заряд ВВ.во втором случае применяется специальное долото с поворотными лезвиями, над которым установлен заряд ВВ и катушка с кабелем. По окончании бурения шнековая колонна поворачивается на пол оборота влево, лезвия долота поворачиваются и открывают отверстие в шнеке, заряд остается на забое, лебедка с кабелем поднимается вместе со шнеками, кабель разматывается.

На (рис. 3 в) приведен вариант шнековой колонны для бурения скважин с отбором керна без подъема шнеков.

а б в

Рис. 3

Кроме основных достоинств шнекового бурения - высокая скорость бурения, бурение всей скважины за один рейс, отсутствие необходимости в промывочной жидкости, надо добавить еще, что шнековое бурение может успешно применяться для бурения в гравийно-галечных отложениях. При бурении в гравийно-галечных отложениях, а также при наличии в разрезе глинистых прослоек, при шнековом бурении происходит автоматически закрепление стенок скважины.

Способность шнеков транспортировать породу на поверхность объясняется действием центробежной силы на частицы породы при вращении шнеков. Динамика и кинематика движения породы по шнекам видна из рисунков (рис. 4). Анализируя сложение сил действующих на частицы породы, можно получить значение минимально необходимой частоты вращения шнеков для транспортирования породы. Из нижеприведенной формулы следует, что на успешность транспортирования породы, кроме частоты вращения, важную роль играет соотношение коэффициентов трения породы о стенки скважины и о поверхность шнека. Практический вывод - реборда шнека должна быть чистой и гладкой, а частота вращения подбирается в зависимости от свойств породы.

Траектория движения частиц породы

Рис. 4

Из рисунка видно:

F_п = F_C sinα; F_с = ƒ_С mRω² ; F_G = mgsinα; F_TG = ƒш mg cosα; Fп≥ F_G+ F _TG+ FTC,

где: F_п – подъемная сила, F_с – сила трения о стенки скважины, ƒ_с коэффициент трения о стенки скважины, ƒ_ш – коэффициент трения о поверхность шнека.

Для надежного подъема породы должно быть выполнено условие:

Чем чище шнеки (ƒ_ш – мин), и чем больше скорость вращения, тем лучше и быстрее порода поднимается на поверхность. Частота вращения шнеков для бурения в разных породах рекомендуется от 60 до 220 об/мин, - минимальная для более твердых и максимальная для мягких и плывучих пород. (При частоте вращения более 400 об/мин. шнеки в трубе могут поднимать воду). Ограничивается частота вращения затратами мощности, возможной вибрацией шнековой колонны и недостатком охлаждения долота.

Буровые установки для шнекового бурения.

Поскольку шнековое бурение чисто вращательное, для его применения нужна буровая установка вращательного бурения, т.е., имеющая механизм – вращатель.

Вообще для механического вращательного бурения применяются буровые установки (станки) с вращателями трех типов: роторным, шпиндельным и с подвижным вращателем.

Учитывая конфигурацию шнека, передавать вращение и осевое движение на шнек можно только через верхний конец шнеков. Следовательно, для шнекового бурения не подходят установки с роторным вращателем и станки со шпиндельным вращателем. Реально для шнекового бурения применяются только станки (установки) с подвижным вращателем.

Для бурения взрывных скважин для сейсморазведкипредставляет интерес опыт и техника строителей.

ЗАО «ЭЛГАД Спецстрой» сооружает буронабивные сваи методом «непрерывно перемещающегося шнека» - НПШ

Бурение скважины ведется полым шнеком длиной до 24 м, закрытым снизу затвором. После забуривании шнека на проектную глубину, через полый шнек бетоно- насосом под избыточным давлением в скважину подается бетон (затвор шнека открывается под избыточным давлением бетона) с одновременным поднятием шнека. Также можно спустить заряд ВВ для сейсмовзрыва.

Рис. 5

Изначально станки с подвижным вращателем изготавливались именно для шнекового бурения. Первый вариант шнекового бурения и первый станок для него с подвижным вращателем с автономным электродвигателем был предложен еще в 1940 г. для бурения взрывных скважин при разработке угольных карьеров. В начале пятидесятых годов с инициативой разработки и широкого внедрения шнекового бурения при бурении взрывных скважин для сейсморазведки выступили геофизики (Средазнефтегеофизика). Была разработана буровая установка УШБ-1 с подвижным вращателем.

. В семидесятые годы была создана установка УРБ-2А2 с подвижным вращателем с гидромотором непосредственно на вращателе. Эта установка широко применяется и настоящее время, в том числе и геофизиками.

3. Вращательное бурение с циркуляцией очистного агента.

3. 1. Буровая скважина – размеры и состояние.

Буровая скважина является одним из наиболее значимых рабочих мест для геофизиков– это и ГИС, и работы по контролю (инклинометрия) и управлению трассой скважины и ряд других работ, и взрывные скважины для сейсморазведки, и геофизические работы в эксплуатационных скважинах,

Размеры скважины – это ее диаметр и длина (глубина). Для выполнения геофизическихработ в скважине надо четко знать характерные рабочие размеры диаметров ствола скважин. При этом обязательно надо учитывать, что фактический диаметр скважины может существенно отличаться от номинального. Номинальный диаметр ствола скважины (он может меняться по длине скважины в соответствии с конструкцией скважины) принят равным наружному диаметру породоразрушающего инструмента - ПРИ – долота или коронки. Номинальные диаметры геологоразведочных и эксплуатационных скважин приведены в табл. 4. Диаметры эксплуатационных скважин округлены до 1,0 мм.

Диаметры скважин (по диаметру ПРИ) в мм Таблица 4.

Фактический диаметр скважины в большинстве случаев, очевидно, будет больше номинального. Исключение составляют интервалы скважины, пробуренные в разбухающих, пучащихся породах, где фактический диаметр скважины может быть меньше номинального. Это опасно затяжками бурового снаряда и геофизических приборов. В остальных случаях стенки скважины подвергаются разбурке в призабойной части скважины из-за неравномерного вращения долота (коронки). Разбурка происходит почти во всех породах, за исключением самых твердых, где диаметр скважины может совпадать с диаметром ПРИ, т.е. с номинальным. В твердых породах разбурка может составлять от долей миллиметра до 1 – 2 мм; в средних породах она может достигать 3 – 5 мм. В средних и слабых породах кроме разбурки происходит разработка ствола скважины под воздействием вращающейся колонны бурильных труб, спускоподъемных операций и влиянием потока очистного агента. На участках слабых, трещиноватых разрушенных пород диаметр скважины может увеличиваться в насколько раз, и могут образовываться каверны до 0,5 метра и даже больше. Информация о фактических размерах скважины обеспечивается геофизикамипри проведении кавернометрии.

Третий случай аномального состояния ствола скважины - желобообразование, когда при бурении наклонной криволинейной скважины под воздействием вращения бурильной колонны и спуско-подъемных операций в лежачем боку ствола скважины вырабатывается желоб, опасный возможной затяжкой бурового снаряда и геофизических приборов. Информация о профиле сечения скважины также получается геофизиками при проведении профелеметрии.