Вибрационное (виброударное) бурение

Под вибрационным бурением понимается способ, при котором процесс бурения осуществляется путем передачи породоразрушающему инструменту вибрационных или виброударных нагрузок, совмещаемых с осевым усилием, которое создается весом инструмента и вибропогружателя.

Вибрационный способ может быть использован только для бурения нескальных (мягких и рыхлых) пород. Вибровращательное бурение, при котором помимо вибрационного и осевого усилия породоразрушающему инструменту передается и крутящий момент (т.е. вращение), позволяет производить разрушение и крепких пород.

Различают две разновидности вибрационного бурения (вибробурения):

чисто вибрационное и виброударное. В первом случае инструменту сообщают синусоидальные колебания, во втором—ударные импульсы высокой частоты.

1 - виброзонд; 2 – колонна бурильная; 3 — вибромолот; 4 — ролик на вершине мачты; 5 - канат; 6 - лебедка; 7 – электрокабель

Рисунок 2.9 – Принципиальная схема виброударного бурения

При вибрационном бурении разрушение мягких пород (песков, супесей, суглинков, глин) в зоне контакта с породоразрушающим инструментом происходит за счет механического воздействия, чему способствует разжижение пород при вибрации; при виброударном бурении разрушение происходит путем дробления и вытеснения породы. В настоящее время чаще используется виброударное бурение.

Основоположником вибробурения в отечественной практике является Д.Д. Баркан. Значительный вклад в развитие техники и технологии вибробурения внесли Б.М. Ребрик, М.Г. Ефремов и др.

Принципиальная схема виброударного бурения представлена на рисунке 2.9.

На рисунке 2.10 представлена схема вибропогружателей для бурения. На рисунке 2.10, а показан простейший двухвальный вибратор. От электродвигателя / при помощи клиновых ремней 2 вращение передается одному из валов. Валы связаны между собой шестеренным синхронизатором. На каждом валу закреплены дебалансы 3. Валы с дебалансами и синхронизатором размещены в корпусе, на котором закреплен электродвигатель 1, В нижней части корпуса имеется переходник 5, с помощью которого вибратор присоединяется к бурильным трубам. К канату вибратор подвешивается с помощью металлической или канатной серьги (на рис. 2.10, а не показана).

Дебалансы (или эксцентрично расположенные грузы), вращаясь в противоположные стороны, синфазно с равной угловой скоростью генерируют центробежные силы, горизонтальные составляющие которых (F₁) взаимно уравновешиваются, а вертикальные (F₂) — складываются.

а — вибратор; 1 — электродвигатель; 2 — кли-ноременная передача; 3 —дебалансы; 4 — корпус; 5 — переводник на погружаемую трубу; б —вибромолот;1 — два электродвигателя с дебалансами; 2 — ударная плита; 3 — боек; 4 — пружина; 5 — наковальня; 6 — наголовник (ограничитель); 7 — погружаемая труба

Рисунок 2.10 – Схема вибропогружателей для бурения скважин

Суммарная вертикальная сила изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону. Она и возбуждает колебания вибратора и бурового снаряда.

Величина максимального возмущающего усилия определяется по формуле

F_max = mω² ε (2.2)

где m—суммарная масса дебалансов, кгс²/см;

ω—угловая скорость, с^-1;

ε — смещение центра тяжести дебалансов относительно оси вращения (эксцентриситет), см.

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

По мере увеличения глубины скважин возрастает масса инструмента и, кроме того, увеличивается его упругость. За счет этого амплитуда колебаний породоразрушающего инструмента существенно снижается. Поэтому глубина бурения поверхностными вибраторами не превышает 25—30 м.

Вибромолот (рисунок 2.10, б) представляет собой тот же вибратор, в колебательную систему которого введен ограничитель колебаний (наголовник с наковальней). С ограничителем вибратор вообще не связан или связан с помощью пружин и стяжных болтов. Вследствие наличия ограничителя колебания корпуса вибратора сопровождаются ударами бойка по наковальне ограничителя, который жестко присоединяется к погружаемому (или извлекаемому) элементу.

В качестве вибратора на вибромолоте нередко используют два электродвигателя, закрепленных на ударной плите и несущих на обоих концах валов дебалансы.

Известно большое количество различных вибраторов и вибромолотов, используемых для бурения скважин или погружения и извлечения обсадных труб. Вибромеханизмы различаются между собой по параметрам, конструктивному исполнению и весовым характеристикам.

Подавляющее большинство вибраторов выполняется по конструктивной схеме, показанной на рисунке 2.10. В некоторых вибраторах привод осуществляется от двигателя внутреннего сгорания; нередко двигатель на корпусе устанавливается на пружинах.

На рисунке 2.11 представлен вибратор (беспружинный вибромолот) ВГ-8. Этот вибратор имеет центральное проходное отверстие и может закрепляться с помощью зажимного патрона в любом месте погружаемой обсадной трубы.

Из других конструкций известны вибраторы с приводом посредством гибкого вала от двигателя внутреннего сгорания.

Вибромолоты обладают большей погружающей способностью, чем вибраторы, однако они сложны по конструкции и менее надежны в работе.

В качестве породоразрушающего инструмента при вибрационном бурении применяются виброзонд, грунтонос и виброжелонка (рисунке 2.12).

Виброзонды изготовляют из труб длиной 1,5—3,0 м, по длине которых вырезают два продольных окна. Ширина прорези зависит от свойств пород, в которых применяют виброзонд, и тем больше, чем плотнее и вязче грунт. Для рыхлых грунтов (супеси, пески) ширина прорези уменьшается. Назначение прорези в виброзонде—очистка зонда от породы.

1 — подвеска; 2 — электродвигатели; 3 — клиноременная передача; 4 — корпус вибромеханизма (эксцентриков); 5 — виброударный патрон; 6 — зажимный патрон (для захвата обсадных труб)

Рисунок 2.11 – Вибратор (беспружинный вибромолот) ВГ-8

Для того, чтобы сохранить поднятый из скважины образец породы с ненарушенной структурой, бурение проводится разъемными зондами и грунтоносами.

При бурении в несвязных песках часто применяют зонды с нижним клапаном и желонки.

Зонды, грунтоносы и желонки оснащаются режущими башмаками, конструкция которых подбирается в соответствии со свойствами грунта.

Предельная глубина вибробурения. Механическая скорость поверхностными вибропогружателями дебалансного типа непрерывно снижается по мере углубления скважины. Это изменение содержит в себе как закономерный, так и случайный элемент. Закономерное изменение скорости обусловлено увеличением длины упругого бурильного стержня, посредством которого ударные импульсы передаются виброзонду, а колебание скорости бурения — неоднородностью свойств разбуриваемых грунтов. В меньшей степени воздействуют многочисленные случайные факторы (температура и влажность воздуха, индивидуальные особенности работы буровых мастеров и т.д.). Этот вопрос исследовался Б.М. Ребриком. Им была установлена зависимость скорости бурения от глубины скважины

Вибрационное бурение более глубоких скважин можно осуществить только с помощью погружных вибраторов (рисунок 2.13). Поскольку вибромеханизм находится непосредственно над породоразрушающим инструментом, скорость бурения с увеличением глубины скважины мало снижается. Погружной вибратор (вибромолот) опускается в скважину на кабельканате, что исключает применение бурильных труб и ускоряет спускоподъемные операции.

а — виброзонд; 1—башмак; 2 — труба с окнами; 3 — коническая резьба под штанговый замок; б — грунтонос: 1 — башмак; 2 — разъемная труба; 3 — разъемный вкладыш для приема керна;4—клапан; 6 — переходник; в — виброжелонка; 1 — башмак; 2 — клапан плоский, шарнирный; 3 — труба с окнами; 4 — вилка

Рисунок 2.12 – Породоразрушающий инструмент для вибрационного бурения

Установки для вибрационного бурения. Для бурения вибрационным методом используются специальные буровые установки, основным рабочим органом которых является вибратор или вибромолот. В большинстве случаев виброустановки представляют собой самоходные подъемно-транспортные машины с собственным источником энергопитания. Чаще виброустановки монтируются на базе автомобиля высокой проходимости, реже на базе трактора или прицепа. Одним из типичных представителей установок этого класса является выпускаемая заводом им. Воровского установка АВБ-2М (рисунок 2.14).

Установка АВБ-2М предназначена для бурения скважин диаметром 168—108 мм вибрационным способом на глубину до 20 м.

1 — пусковое устройство; 2 — кабельный барабан; 3 — лебедка; 4 — трубы обсадные; 5 — трос; 6 — кабель; 7 — замок, канатный; 8 —электродвигатель; 9 — вибратор; 10 — грунтонос или стакан

Рисунок 2.13 – Схема установки для бурения погружным вибробуром

В качестве вспомогательного способа может быть применен ударно-канатный на глубину до 40 м. В качестве основного рабочего органа используется вибратор ВБ-7, вынуждающей силой 35 кН. Привод вибратора осуществлен от электродвигателя мощностью 7 кВт, который получает питание от генератора мощностью 25 кВт.

Для производства спускоподъемных операций установка имеет планетарную лебедку грузоподъемностью 4 т и однотрубчатую мачту высотой 7,5 м и грузоподъемностью 12 т при двухструнной оснастке. Скорость подъема крюка при однострунной оснастке— 0,8 м/с, при двухструнной — 0,4 м/с. Подъем и опускание мачты производят с помощью винтового подъемника, привод которого осуществлен от электродвигателя мощностью 1,5 кВт.

Смонтирована установка на автомашине повышенной проходимости ГАЗ-66, на которую укладываются во время транспортировки буровой инструмент и принадлежности. Масса установки с буровым инструментом, запасными частями, принадлежностями и автоприцепом 6300 кг.

1 — кронблок; 2 — талевый блок; 3 — вибромолот; 4 — мачта; 5 — опора; 6 —лебедка; 7 — винтовой подъемник мачты; 8 — генератор; 9—автомобиль

Рисунок 2.14 – Установка вибрационного бурения АВБ-2М (транспортное положение)