Глава 8. Бурение неглубоких скважин без очистного агента

Глава 8. Бурение неглубоких скважин без очистного агента

Общая характеристика группы

В данную группу объединены пять различных видов бурения, обладающих рядом общих признаков:

1 Небольшие глубины скважин, обычно до 20-50 м, отдельные до 100 метров(поскольку все относительно, такие глубины считаются небольшими для геологоразведочного бурения, при бурении нефтяных скважин неглубокими считаются скважины глубиной до 1000 м).

2 Бурение ведётся без применения потока очистного агента, порода на забое при бурении либо уплотняется, либо удаляется буровым инструментом.

3 Бурение ведётся только в мягких и слабых породах (кроме ударно-канатного бурения, применяемого в любых породах).

4 Главные области применения, характерные для этой группы:

- инженерно-геологические изыскания,

- разведка рассыпных месторождений,

- разведка стройматериалов,

- гидрогеологическое и мелкое водозаборное бурение,

- бурение скважин при поисково-съёмочных работах,

- бурение взрывных скважин при сейсморазведке.

Основные данные видов и разновидностей бурения, входящих в данную группу, приведены в табл. 8.1.

В зависимости от области применения скважин их бурение связано со специфическими особенностями.

Особенности бурения скважин при инженерно-геологических изысканиях

Цель бурения при этих работах – изучение состава и физико-механических характеристик грунтов, определяет необходимость отбора образцов с ненарушенными свойствами (монолитов); требование отбора монолитов предопределяет сравнительно большой конечный диаметр скважины. В отдельных случаях получение информации о свойствах грунтов возможно без извлечения образцов (динамическая и статическая пенетрация). Глубины скважины обычно до 10-15 м., как правило, не превышают 30 метров.

Особенности бурения при разведке рассыпных месторождений

При разведке рассыпных месторождений бурение ведётся, как правило, в сыпучих малосвязанных породах, часто с включением валунно-галечного материала, иногда в многолетнемёрзлых породах. Главная цель бурения точное геологическое опробование, отбор 100% проб при исключении попадания в пробу материала со стенок скважины. Отсюда требование при бурении в неустойчивых породах: одновременно с бурением закрепление стенок скважины обсадными трубами, а при необходимости - с погружением труб впереди забоя. Более подробно это изложено в разделе 13.1.

Особенности бурения гидрогеологических и водозаборных скважин

При проведении гидрогеологических изысканий и бурении водозаборных скважин главное внимание уделяется фиксированию и испытанию водоносных горизонтов. При этом необходимо обеспечивать изоляцию вскрытых горизонтов. Конструкция и конечный диаметр скважины определяются параметрами фильтра и водоподъёмных средств.

Таблица 8.1. Характеристика видов бурения неглубоких скважин без очистного агента

	Виды и разновидность бурения	Параметры скважин	Кате-гория пород	Главные области применения
глубина скважин, м	диаме-тры скважин, мм

	Ударное	Ударное бурение грунтов		89-168	I-III	Инженерная геология Разведка строительных материалов
Ударно-канатное бурение	(500)	145-900	I-XII	Разведка россыпей Гидрогеология
		Медленновращательное и комбинированное	(100)	89-273	I-V	Инженерная геология Разведка россыпей
		Бурение внедрением и винтобурение		60-90	I-III	Инженерная геология Поисковые скважины
	Вибробурение	Вибрационное		89-219	I-III	Инженерная геология Разведка строительных материалов Разведка россыпей
Виброударное		I-IV
Виброударно-вращательное		I-V
		Шнековое		60-250	I-IV	Инженерная геология Разведка строительных материалов Гидрогеология Взрывные скважины

А б в г

Основным характерным узлом станка ударно-канатного бурения является ударный механизм. Во всех перечисленных станках применен классический ударный механизм шатунно-кривошипного типа с оттяжной (балансирной) рамой. При работе ударного механизма на станок действуют значительные динамические нагрузки явно неблагоприятные для срока службы станка. Для их снижения на станке обязательно устанавливается амортизатор. У станков УГБ (УКС) амортизатор устанавливается непосредственно на ударном механизме, на оттяжном ролике, у станков БУ амортизатор устанавливается на мачте под головным роликом. Геометрия ударного механизма выполняется таким образом, что угол сбрасывания снаряда – α ₁ был меньше, чем угол подъема снаряда – α ₂. Это обеспечивает более быстрое падение снаряда, более эффективный удар по породе забоя и более плавный подъем снаряда. Обычно α ₁ < α ₂ на 15-20º рис.8.13. Кинематическая схема ударного механизма приведена на рис. 13, ударный вал приводится во вращение от главного вала посредствам зубчатой передачи. На ударном валу закреплен кривошип – 1. Пальцы – 2 кривошипа описывают окружность радиуса r, они входят в нижние головки шатунов – 3. Верхние головки шатунов в точке А шарнирно соединены с оттяжной рамой – 4 на переднем конце рамы установлен оттяжной ролик – 5 другой конец оттяжной рамы закреплен на направляющим валике – 6, несущем направляющей ролик –7. Инструментальный канат – 8 огибает ролики 7 и 5 оттяжной рамы, а затем ролик на вершине мачты и направляется в скважину.

Движение бурового снаряда в скважине определяется движением точки А, в которой шатун шарнирно сочленен с оттяжной рамой. При вращении кривошипа точка А описывает дугу А А₁. Положение точки А на схеме соответствует максимальному подъему оттяжного ролика, а точки А₁ – наиболее низкому положению оттяжного ролика.

Кроме ударного механизма в состав ударно-канатного станка входят три или два барабана (лебедки): инструментальный для спуска и подъема бурового снаряда и обеспечения подачи снаряда с тормоза в процессе углубки скважины, желоночный для спуска и подъема желонки и талевый, трос с которого пропускается через талевую систему и он служит для спуска и извлечения тяжелых обсадных колонн. В станках БУ талевый барабан отсутствует, поскольку станки предназначены для бурения неглубоких скважин на россыпях. Еще одно различие между станками УГБ и БУ, связанное с условиями их применения. Станки УГБ устанавливается на колесном прицепе, БУ на гусеничной самоходной тележке с приводом от электродвигателя станка с возможностью перемещения на длину кабеля (примерно на 0, 5 км), обычно в пределах разведуемой площадки россыпи. Как привило, станки ударно-канатного бурения имеют электропривод, как более устойчивый на динамические нагрузки, исключением является вариант станка УГБ-ЗУК (УКС-22МД) с приводом от дизельного двигателя.

Рис. 8.13. Кинематическая схема ударного механизма

За рубежом выпускаются станки ударно-канатного бурения аналогичных конструкций, часто с дизельным приводом. Кинематическую схему и устройство ударно-канатных станков рассмотрим на примере установки УГБ-3УК (рис. 8.14). Буровой станок смонтирован на стальной металлической раме 6, установленной на осях, оснащенных двухколесными скатами 7. От двигателя 1 вращение передается клиноременной передачей 10 на шкив главного вала 3, от которого с помощью зубчатых колес приводятся в движение вал ударного механизма 29, желоночный 4 и талевый 5 барабан при включении соответствующей фрикционной муфты.

С главного вала вращение через цепную трансмиссию передается на инструментальный барабан 2. Включение фрикционных муфт главного вала осуществляется рычагами управления 15.

Ударный механизм станка кривошипно-шатунного типа с оттяжной рамой (балансиром) оснащен амортизационным устройством. Кривошип 31 ударного механизма 8, получающий вращение от шестерни 30, с помощью пальцев 32 шарнирно соединен с шатунами 33, которые, в свою очередь, шарнирно соединены с оттяжной рамой 13. Инструментальный канат 25 с инструментального барабана 2 проходит через направляющий 12 и оттяжной 14 колики рамы и далее на мачту к ролику 23. Конец каната, переброшенного через мачту, закрепляют в канатном замке, с которым соединяют буровой инструмент.

Рис. 8.14. Установка УГБ-3УК

а-общий вид; б- кинематическая схема

При передаче движения на вал ударного механизма оттяжная рама, соединенная шатуном с валом кривошипа, начинает качаться относительно оси подвеса. Движение оттяжного ролика при заторможенном инструментальном барабане обеспечивает подъем и сбрасывание ударного инструмента на забой. Высота подъема бурового снаряда над забоем регулируется за счет изменения рабочего радиуса кривошипа, для чего кривошип имеет рад отверстий под пальцы шатуна, расположенные на различном расстоянии от оси ударного вала. Частота сбрасывания снаряда на забой изменяется путем замены шкивов на валу электродвигателя.

Инструментальный барабан 2 имеет делительный диск, отделяющий рабочую часть каната от всей его массы.

Работа желонки осуществляется с помощью желоночного барабана 4. Канат желоночного барабана 11 перекинут через ролик на вершине мачты и конец его присоединен к желонке. На мачте установлены три ролика 27 для каната талевой системы, связанной с талевым барабаном.

В транспортном положении мачта укладывается на опоры 18 и 9. Подъем мачты в рабочее положение осуществляется с помощью червячной лебедки 35, получающей вращение от шестерни привода желоночного барабана z=95 при установке дополнительной шестерни z=33, связанной червячной парой с лебедкой. Канат 34 лебедки 35 проходит через систему направляющий роликов и закрепляется на мачте. При включении электродвигателя и желоночного барабана вращение через зубчатые шестерни будет передано на барабан лебедки подъема мачты за счет ее поворота вокруг шарнирной опоры 18. С помощью двух винтовых домкратов, состоящих из винта 20, гайки 21 и опоры 22, мачту поддомкрачивают, что разгружает раму станка и передает основную нагрузку на грунт.

Мачта состоит из двух телескопических звеньев. Верхнее звено 28 выдвигается из нижнего 16 с помощью червячной лебедки. Жесткое крепление верхнего и нижнего звеньев мачты обеспечивается болтовым соединением.

На мачте закрепляется защитное приспособление 17 и направляющий ролик 19. Устойчивость мачты достигается раскреплением ее трубчатыми растяжками 26 и тремя канатными растяжками 24.

Основные данные станков ударно-канатного бурения приведены в табл.8.5.

Таблица 8.5. Основные параметры станков ударно-канатного бурения

Параметры	Гидрогеология	Разведка россыпей	Р-600 / Испания /
УГБ-ЗУК УКС-22М	УГБ-4УК УКС-30М	БУ-20-2УШ	БУ-20-3
Глубина скв. м.
Диаметр скв. мм.
Масса снаряда, кг.
Мощность привода, кВт.	Электродвигатель 22 40 Дизель	Электродвигатель 22 28	Дизель
Масса станка, кг.
База	Колесный прицеп	Гусеничная самоходная тележка	Съемная автоплатформа

Технология ударно-канатного бурения

Технология ударно-канатного бурения включает ряд последовательно принимаемых решений, определяющих характер выполнения операций по бурению скважины. Основные позиции технологии:

1. Выбор типа и параметров долота – долото выбирается в соответствии породами, представленными в разрезе скважины. При несущественных различиях пород скважина может буриться одним типом долота, при резкой смене пород следует заменить долото. Для мягких связных пород следует применять плоское долото, мягкие вязкие породы и плотные сухие глины – двутавровое долото, твердые породы – округляющее долото, твердые трещиноватые и валунные породы – крестовое или округляющее долото. В соответствии с породами выбирается и угол приострения долота – от 60º -80º для мягких пород до 130º -140º для наиболее твердых пород.

2. Состав снаряда выбирается в соответствии с условиями бурения. При наиболее благоприятных условиях и небольшой глубине скважины можно использовать упрощенный снаряд без раздвижной штанги, иногда вместо канатного замка к ударной штанге присоединяется серьга и снаряд соединяется с канатом быстроразъемным соединением, что позволяет использовать ударный механизм для работы и со снарядом и с желонкой. В сложных горно-геологических условиях и при значительной глубине скважины снаряд должен быть собран в полном составе.

3. Масса снаряда относится к параметрам режима бурения и рекомендуется в зависимости от диаметра скважины и свойств буримых пород. Масса снаряда, приходящаяся на 1 см длины лезвия долота рекомендуется от 15 до 90 кг.

4. Подача долота – должна обеспечивать наиболее полное использование энергии удара для разрушения породы на забое и при этом не допускать прослабления каната в избежания ухудшения отделения породы от забоя и рывков каната. Подача осуществляется с тормоза инструментального барабана таким образом, чтобы в свободном состоянии в нижней точке долото едва касалось забоя, а при значительной глубине скважины и при бурении в твердых породах не доставало до забоя на 2-5 см. Эта величина называется навеской долота и обеспечивает резкий удар за счет растяжения каната и деформации амортизатора в момент остановки оттяжного ролика в верхнем положении.

5. Высота сбрасывания долота определяет энергию удара и, следовательно, эффективность разрушения породы. Чем тверже порода, тем больше должна быть высота сбрасывания. Обычно высота сбрасывания находится в пределах 350-1100 мм. Изменение высоты сбрасывания осуществляется перестановкой пальца кривошипа в другое отверстие кривошипа соответствующего радиуса.

6 Частота ударов снаряда, осуществляемых ударным механизмом, имеет важное значение для оптимизации процесса бурения. Частота ударов и соответствующая ей скорость движения каната должна обеспечивать свободное падение снаряда в жидкости. При слишком быстром движении оттяжного ролика снаряд не будет успевать падать, произойдет прослабление каната и сильный последующий рывок, а при недостаточной частоте будет происходить замедление падения снаряда и снижение силы удара по забою.

Практически изменение частоты ударов у отечественных станков ударно-канатного бурения осуществляется сменой шкивов на валу электродвигателя. У станков БУ имеется две, а у станков УГБ три частоты ударов от 40 до 56 в минуту. Частота ударов выбирается в зависимости от характера проходимых пород и высоты сбрасывания снаряда, причем большее значение частоты выбирается для более твердых пород.

7. Высота столба пульпы в скважине должна обеспечивать переход разрушенной породы во взвешенное состояние и при этом создавать не слишком большие сопротивления падению снаряда. При наличии грунтовых вод высота столба жидкости в скважине определяется статическим уровнем, при их отсутствии вода заливается в скважину для создания столба жидкости высотой от 1, 0 до 3, 0 м, тем больше, чем мягче порода. После извлечения шлама в виде пульпы желонкой, вода вновь подливается в скважину.

8. Плотность пульпы. Для эффективного перехода частиц породы с забоя во взвешенное состояние целесообразно поддерживать оптимальную плотность пульпы. Чем выше плотность пульпы, тем легче переходят во взвесь и удерживаются частицы шлама. По этому соображению плотность пульпы желательно повышать как можно больше и доводить до 2, 0-2, 5 г/см³. С другой стороны с увеличением плотности пульпы заметно снижается скорость падения снаряда. Так при увеличении плотности пульпы с 1, 2 до 2, 2 г/см³ скорость падения долота в момент удара снижается почти в два раза. Учитывая обе стороны влияния, плотность пульпы рекомендуется поддерживать в пределах 1, 5 -2, 0 г/см³.

9. Углубка за рейс. По мере работы долота на забое происходит разрушение породы, переход ее во взвешенное состояние и рост плотности пульпы. Последнее обстоятельство приводит к снижению скорости падения долота и энергии удара, ухудшению очистки забоя и, как следствие, к снижению скорости бурения. В результате наступает момент, когда дальнейшее бурение становится нецелесообразно и необходимо произвести чистку скважины. Величина углубки за рейс в зависимости от свойств пород рекомендуется от 0, 3 м в твердых породах до 1, 2 м в мягких породах.

10. Время долбления, зависящее от скорости бурения и рациональной углубки за рейс, обычно составляет от 3-4 мин в мягких до 25-40 минут в твердых породах.

Сводные значения технологических параметров ударно-канатного бурения приведены в табл. 8.6.

Извлечение разрушенной породы (очистка скважины) осуществляется желонками различных конструкций в зависимости от геологических условий и задач бурения. Как уже отмечалось, для извлечения породы в скважине должен быть столб жидкости высотой не менее 1-3 метра. Обычно чистка скважины выполняется за 3-4 сбрасывания желонки. При отсутствии особых требований по опробованию в скважине рекомендуется оставлять часть плотной пульпы, чтобы к началу следующего долбления после подлива воды плотность пульпы была достаточна для удержания разрушенной породы, т.е. более 1, 3-1, 5г/см³.

Таблица 8.6. Технологические параметры ударно-канатного бурения

Параметры	Породы
Мягкие	Средние	Крепкие	Очень крепкие
Угол приострения долота, град	70-80	90-110	110-130	120-140
Удельная масса снаряда, кг/1см	15-40	30-50	40-70	50-90
Высота сбрасывания, м	0, 35-0, 5	0, 5-0, 9	0, 9-1, 0	1, 0-1, 1
Число ударов в минуту	40-45	45-50	45-55	45-55
Высота столба пульпы, м	3, 0	2, 0	1, 5	1, 0
Углубка за рейс, м	1, 0-1, 2	0, 7-0, 9	0, 5-0, 6	0, 3-0, 4

Особенности технологии ударно-канатного бурения в различных геологических условиях

Твердые скальные породы. Бурение ведется снарядом с максимально возможной массой и с округляющим или крестовым (если породы трещиноватые) долотом. Основное внимание должно уделяться контролю за износом долота по длине лезвия (по наружному диаметру), так как такой износ приводит к зауживанию ствола скважины и последующему заклиниванию снаряда. При износе более чем на 3 мм долото или его лезвие надо заменить. Важно следить за надежностью соединений снаряда, которые при сильных жестких ударах могут самопроизвольно развинчиваться. Диаметр желонки при бурении в твердых породах выбирается на 25 мм меньше диаметра долота. В трещиноватых и закарстованных породах бурение надо вести с дополнительными мерами предосторожностями, в виду возможного обрушения стенок скважины. В таких случаях бурение ведется с использованием густой вязкой пульпы, для чего в скважину забрасывается 10-15 кг жирной глины на 1 м бурения. При возможности бурение ведется с одновременной обсадкой скважины трубами.

Глинистые породы. Бурение ведется двутавровым или плоским долотом с подливом 2-3 ведер воды. Извлечение шлама желонкой с плоским клапаном. Песчаные глины, супеси, суглинки можно проходить стаканами или желонкой без клапана (как при ударном бурении грунтов).

Пластичные вязкие глины можно успешно проходить без желонки плоским долотом с приваренным в крест основному дополнительным лезвием. В скважину доливается, такое количество воды, чтобы при работе долота образовалась тестообразная масса, которая налипала бы на долото, и поднималась с ним на поверхность. При такой методике исключается операция чистки скважины, и производительность увеличивается в 1, 5-2, 0 раза. В устойчивых глинах бурение возможно без обсадки трубами интервалов до 50-70 метров.

Пески. Бурение ведется непосредственно желонкой с плоским или полусферическим клапаном с языком с одновременным креплением стенок скважины обсадными трубами. Во избежание заклинивания или прихвата породой желонки в трубах, её диаметр должен быть меньше внутреннего диаметра труб на 100 мм. Нельзя допускать остановки желонки на забое, переполнения ее породой, выход желонки ниже башмака обсадных труб не должен быть больше чем на 0, 5-0, 75 м бурение в песках следует вести при минимальном числе ударов желонкой, для лучшего забора песка рекомендуется забрасывать жирную глину и подливать воду. В песках – плывунах работать желонкой можно с использованием ударного механизма при максимальном числе ударов и при минимальной высоте сбрасывания. При пересечении скважиной напорных плавунов за счет пластового давления песок может подниматься в трубах (скважина падает), образуя в них пробку высотой до 5-10 метров. Для предотвращения и борьбы с пробками в скважину надо подливать воду или глинистый раствор для создания противодавления на пласт, особенно при подъеме желонки.

Галечники, гравий. Бурение ведется двутавровым долотом и желонкой с плоским клапаном и низким башмаком. При проходке глинистой породы с галечником бурение можно вести без применения долота непосредственно желонкой с двустворчатым клапаном и ножом. При проходке чистых галечников и гравия в скважину нужно сбрасывать жирную глину. Бурение должно вестись с одновременным креплением скважины обсадными трубами.

Валунные отложения. Бурение ведется тяжелыми округляющими или крестовыми долотами с одновременной обсадкой скважины трубами. Валуны размером больше, чем размер обсадных труб надо разбивать долотом, причем, в плотных породах валун разбивается легче, чем в рыхлых. Для избежания искривления скважины при встрече валуна, боком выступающего на забое, в скважину засыпают крупный (4-6 см) щебень крепких горных пород и куски глины, после чего валун разрушают долотом вместе со щебнем. При невозможности разбить валун долотом его разрушают взрывом кумулятивного заряда. Боковые валуны небольших размеров можно забивать в стенку скважины, а затем этот участок перекрыть трубами. Небольшие валуны в рыхлых породах могут успешно извлекаться желонками с двустворчатым клапаном типа «Ангара».

Особенности технологии ударно-канатного бурения скважин

различного назначения

При проектировании и бурении гидрогеологических и водозаборных скважин главная особенность связана с методами и средствами опробования и эксплуатации водоносных горизонтов. Прежде всего, это учитывается в конструкции скважины. Конечный диаметр скважины выбирается из условия размещения в ней необходимого фильтра и водоподъемного средства. Количество обсадных колонн зависит не только от необходимости закрепления неустойчивых участков, но должно обеспечивать изоляцию отдельных водоносных горизонтов для исключения водоперетоков между ними.

При разведке россыпных месторождений основные особенности технологии ударно-канатного бурения связаны с необходимостью обеспечения качественного опробования по полезному ископаемому, при этом технико-экономические показатели бурения имеют вторичный характер. Из требования опробования выбирается диаметр скважины, обычно 168-219 мм, чаще всего скважины одноступенчатые. В рыхлых, сыпучих, обводненных породах бурение ведется с опережающим погружением обсадных труб на величину от 5-10 до 20-50 см – бурение в трубах. В плотных отложениях с включением большого количества валунов допускается отставание башмака обсадных труб от забоя на интервал опробования (обычно 20-50 см) – бурение ниже труб. В мерзлых и плотных устойчивых породах бурение ведется без обсадки скважины трубами – бурение без труб. При всех методах бурения россыпей обязательным является строго поинтервальный отбор проб. Существует определенная связь между параметрами бурения и качеством опробования, поэтому инструмент и режим ударно-канатного бурения выбирается с учетом опробования. Так для качественного опробования предпочтение отдается плоским долотам, меньшей массе снаряда и умеренной высоте сбрасывания. Для наиболее полного извлечения пробы при разведке россыпей, как правило, применяются поршневые желонки или специальные желонки – пробоотборники.

А б в

Рис. 8.15. Буровой инструмент для медленно-вращательного бурения

а – спиральный бур (змеевик),

б – ложковый бур,

в – грунтонос обуривающий, (1 – корпус,

2 – разъемная гильза)

Комбинированное бурение

Поскольку даже при небольших глубинах скважин однородные разрезы мягких пород встречаются редко, а чаще чередуются с твердыми прослойками или пластами неустойчивых пород, то в таких случаях целесообразно в одной скважине чередовать медленновращательное и ударное бурение, т.е. применять комбинированное бурение.

Наиболее простым и доступным вариантом комбинированного бурения является ручное бурение. Еще в 50-е годы ручное бурение было преобладающим при выполнении инженерно-геологических изысканий, разведке россыпей и стройматериалов, поисково-съемочных работах. В настоящее время ручное бурение почти полностью заменено механическим, однако в отдельных случаях при поисково-съемочных работах, бурении одиночных инженерно-геологических скважин в неудобных для техники местах, для индивидуального водоснабжения ручное бурение еще применяется.

При ручном бурении в основном используется медленновращательный способ спиральными или ложковыми бурами. При встрече твердых пропластков или включений в скважину на бурильных трубах спускают долото и ударным способом разрушают твердое включение, затем желонкой также на бурильных трубах поднимают разрушенную породу. При встрече неустойчивых пропластков (плывучих, сыпучих песков) ручное бурение можно вести с одновременным закреплением скважины обсадными трубами также как при механическом ударно-канатном бурении.

В прошлом скважины ручного бурения достигали глубин 100-120м, при начальном диаметре до 250 мм. При этом использовались деревянные вышки-треноги и подсобные механизмы - ручные лебедки, воротки, балансиры. В настоящее время ручным способом проходятся скважины глубиной до 15 м, диаметром 35-60 мм (для водоснабжения до 150мм) и все технические средства сводятся только к комплекту инструмента. Так для поисково-съемочных работ может еще использоваться комплект «бур геолога» массой 16 кг, позволяющий бурить скважины глубиной до 10 м, диаметром 35мм. Механическое комбинированное бурение применяется значительно шире при разведке россыпных месторождений, бурении инженерно- и гидрогеологических скважин, мелкого водоснабжения, разведке стройматериалов. Технические средства для комбинированного бурения объединяют в себе механизмы ударного и вращательного действия, а также включают механизмы для принудительного погружения обсадных труб. Буровой инструмент также представлен комплектами для ударного и вращательного бурения. Бурение может вестись попеременно медленновращательным способом в мягких однородных породах и ударно-канатным способом при встрече твердых прослоев и включений и при встрече плывучих и сыпучих пород. Погружение обсадных труб при проходке неустойчивых пород может осуществляться одновременно с бурением желонкой, используя вращательный механизм. Обсадные трубы могут также забиваться с помощью ударного механизма или погружаться одновременным воздействием вращения и ударов. Буровые установки для механического комбинированного бурения выпускаются разными ведомствами, их представителями являются установки БУУ-2, УБР-2М, БУГ-100, БУГ-50 (табл. 8.7). Принципиальная схема характерной для этого вида бурения установки УБР-2М приведена на рис.8.16. Важной особенностью этой установки является наличие вращателя шпиндельного типа с гидравлической системой подачи способного вращать и погружать как буровой инструмент, так и обсадные трубы.

Таблица 8.7. Основные параметры установок комбинированного бурения

Параметры	УБР-2М	БУУ-2	БУГ-100
Глубина бурения, м.
Вращатель тип частота вращения, с^-1	шпиндельный 0, 2; 0, 4; 1, 26	роторный	шатунно-кривошипный 0, 03; 0, 06.
Механизм подачи: ход подачи, мм, Макс. крутящий момент, кНм	гидравлический 7, 0	гидравлический 4, 6	свободный 20, 0
Ударный механизм: тип частота ударов, мин высота сбрасывания	свободный сброс	шатунно-кривошипный 41; 62 500; 700; 1000	свободный сброс 30; 60
База	автомобиль ЗИЛ-131	трактор ДТ-75Б	подкатные тележки
Масса, кг

При проведении инженерно-геологических изысканий для изучения физико-механических свойств грунтов существуют методы, при которых буровая скважина и геологическая информация могут быть получены без удаления и извлечения на поверхность разрушенной породы. Для этой цели применяется специальный инструмент – конический зонд. При внедрении зонда в породу она не удаляется из скважины на поверхность, а раздвигается и уплотняется в стенки скважины.

В зависимости от характера погружения зонда в грунт можно выделить три разновидности бурения внедрением инструмента: статическое вдавливание (бурение задавливанием, статическая пенетрация, статическое зондирование), вдавливание с медленным вращением (винтобурение) и забивное погружение инструмента (динамическая пенетрация, динамическое зондирование).

Рис. 8.16. Схема буровой установки комбинированного бурения (УБР – 2М)

а-кинематическая схема установки,

б-схема ударного механизма свободного сброса

Динамическое зондирование

Определения приблизительной количественной оценки показателей физико-механических свойств грунтов (плотности сложения модуля деформации, угла внутреннего трения и др.).

Для ударного зондирования применяется три типа установок, характеристика которых приведена в (табл.8.8).

Таблица 8.8. Характеристика установок для ударного зондирования

№ п/п	Тип установок	Параметры
Масса молота, кг	Высота падения, м	Энергия удара, Дж
	Легкие		0, 4
	Средние		0, 8
	Тяжелые		1, 0

Чаще всего при ударном зондировании применяют конический зонд диаметром 74 мм, с углом при вершине равным 60°, и бурильные трубы диаметром 42 мм.

После каждого залога измеряют глубину погружения зонда. Число ударов в залоге применяют равным от 1 до 20 в зависимости от состава и состояния грунтов, исходя из условия погружения зонда за залог на глубину 10-15 см.

Условное динамическое сопротивление грунтов P_g вычисляется по формуле

P_g = A∙ k∙ f∙ n/h, Па (8.8)

где: A – удельная энергия зондирования, кН∙ м; k – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о наковальню и на упругие деформации штанг; f – коэффициент учета потерь энергии на трение труб о грунт; n – число ударов в залоге; h – глубина погружения зонда за залог, м.

При полевых испытаниях грунтов ударным зондированием для обеспечения высокой производительности и качества работ надлежит применять легкие, средние и тяжелые установки в зависимости от условного динамического сопротивления грунтов.

Ударно-вибрационное зондирование является разновидностью динамического зондирования и применяется для тех же целей, что и ударное зондирование. Испытания грунтов ударно-вибрационным зондированием проводят с применением буровой установки АВБ-2М до глубины 20 м. при этом используется конический зонд диаметром 100 мм и бурильные трубы диаметром 63, 5 мм. На установке применяется автоматическое устройство для регистрации скорости и глубины погружения зонда в грунт.

При ударно-вибрационном зондировании так же, как и при ударном зондировании определяется условное динамическое сопротивление грунтов P_g (Па), которое вычисляется по эмпирической формуле

P_g = K_в∙ K_п/ V, (8.9)

где: K_в– безразмерный коэффициент, учитывающий потери энергии при ударно-вибрационном зондировании (изменяется от 0, 74 до 0, 62 при изменении интервала зондирования от1 до 20 м); K_п– коэффициент, учитывающий параметры применяемого оборудования (для АВБ-2М K_п= 224∙ 10³ Н/(м∙ с)); V – скорость ударно-вибрационного зондирования, м/с.

Статическое зондирование

Статическое зондирование осуществляется или самостоятельно, или в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований примерно для тех же целей, что и динамическое зондирование. Применяется этот метод только в рыхлых однородных породах, в которых содержание частиц крупнее 10 мм не более 25% по массе. Метод также не применим во всех видах грунтов в мерзлом состоянии.

Сущность метода заключается в плановом вдавливании (погружении) конического зонда в грунт под действием вертикальной нагрузки. Необходимая информация получается по зависимостям скорости погружения инструмента от прикладываемых усилий, а также от тензометрических и радиометрических датчиков, укрепленных на вдавливаемом конусе. При вдавливании зонда проводят измерение удельного сопротивления грунта под наконечником (конусом) g_з, мПа; сопротивление грунта на боковой поверхности зонда Q_з, кН; или удельное сопротивление грунта на боковой поверхности (муфте трения) зонда f_з, кПа.

Для испытания грунтов статическим задавливанием применяются установки, состоящие из следующих основных узлов: зонда (наконечника и штанги), устройства для вдавливания и извлечения зонда, опорно-анкерного и измерительного устройства.

В зависимости от конструкции наконечника зонды подразделяются на три типа (рис.8.18):

I тип - с наконечником из конуса и кожуха;

II тип - с наконечником из конуса и муфты трения;

В состав станции также входит комплекс измерительной и регистрирующей аппаратуры типа МАК, который состоит из измерительного зонда с различными первичными преобразователями, беспроводного электрического канала связи, приемного устройства и полевого вычислительного комплекса ПВК.

12 3 4 5 Следующая ⇒