Глава 28.Вибрационное бурение

С целью дальнейшего увеличения производительности бу­рения и качества опробования мягких горных пород был предложен вибрационный способ бурения. В настоящее время это наиболее произ­водительный способ бурения. Он в 2,5 раза производительнее враща­тельного колонкового способа («всухую») и более чем в 2 раза произво­дительнее ударно-канатного колонкового способа.

Средняя производительность составляет около 35 м/см, макси­мальная - 50-70 м/см. Скорость погружения бурового снаряда в мягкую горную породу в среднем составляет 1,5-2,5 м/мин, а в песчаные фунты - 5—6 м/мин. При этом достигается наиболее качественное опробование. Керн получается с ненарушенной структурой естественной влажности, что очень важно при инженерно-геологических исследованиях. В сква­жине диаметром 150 мм можно получить керн длиной 2 м. При бурении буровой снаряд не вращается, следовательно исключаются затраты энергии на его вращение и снижается износ снаряда.

Так как производительность бурения с глубиной скважины сни­жается, область эффективного использования этого способа при буре­нии поверхностными вибраторами ограничивается глубиной 15-25 м. Для бурения более глубоких скважин (до 80 м) применяют погружные вибраторы.

Сущность процесса вибрационного бурения заключается в сле­дующем. Мягкие горные породы: увлажненные илы, глины, супеси, суглинки, рыхлые пески - представляют собой скопление мельчайших частиц, связанных пленками воды. Как известно, такие пленки воды об­ладают высокой прочностью и вязкостью. Чем тоньше пленка воды, тем она прочнее. В отличие от обычной воды ее молекулы упорядочены и сориентированы под воздействием электрического поля частиц горной породы, скорость осцилляции молекул воды резко понижена, что обу­славливает высокую прочность ее пленок.

Под воздействием вибратора, установленного на бурильную ко­лонну (рис. 22.1), через последнюю на забойный снаряд передаются ко­лебательные движения, которые вызывают вибрацию горной породы, в результате чего скорость осцилляции молекул пленки воды резко воз­растает, что влечет за собой их дезориентировку и резкое снижение вяз­кости и прочности пленок, а, следовательно, прочности горной породы в целом (эффект тиксотропии). Одновременно со снижением прочности горной породы в контакте с вибрирующим инструментом происходит расталкивание в стороны (уплотнение) пористой массы горной породы. В результате снижения прочности породы и ее уплотнения тяжелый бу­ровой снаряд опускается вниз под собственным весом.

Для большей эффективности бурения скважин вибрацию снаряда часто совмещают с ударными импульсами (виброударный способ) или с его вращением (вибрационно-вращательный способ).

Вибрационный и виброударный способы предназначены для бу­рения мягких пород, вибрационно-вращательный - для бурения мягких и средней твердости горных пород.

Рис. 28.1. Схема буровой установки для вибрационного бурения скважин: а - общий вид; б - ударный узел; в - вибратор; 1 - электромотор; 2 - корпус вибратора; 3 - привод; 4 - дебаланс; 5 - присоединительный элемент; 6 -боек; 7 - пружина; 8 - наковальня; 9 - бурильная труба; 10 - буровой снаряд