книги из ГПНТБ / Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин

Б. М. РЕБРИК

ВИБРАЦИОННОЕ

БУРЕНИЕ

СКВАЖИН

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА»

М о с к в а 1974

ВВЕДЕНИЕ

Вибрационное бурение относится к числу наиболее эффектив­ ных способов проходки неглубоких скважин в нескальных грунтах. Отличительными его особенностями являются низкая стоимость, высокая производительность, удовлетворительное ка­ чество получаемой геологической и инженерно-геологической информации о грунтах.

Под вибрационным бурением понимается способ, при кото­ ром буровой инструмент внедряется в грунт с помощью вибра­ ционной или ударно-вибрационной машины. Процесс вибробуре­ ния осуществляется последовательными рейсами. Породоразру­ шающий инструмент выполняется кольцевого типа, что позво­ ляет вырезать столбик грунта, по которому после извлечения последнего на поверхность устанавливают строение изучаемого геологического разреза.

Вибрацию в строительных целях начали использовать в

СССР в 30-х годах. В дальнейшем ее применили для погру­ жения различных элементов в мягкие грунты. Первые сведения об этом были опубликованы в 1935 г. Д. Д. Барканом, Ю. Я. Штаерманом и К. Н. Добровольским. Вибрационное уст­ ройство для выемки грунта впервые было предложено И. М. Пущевым в 1939 г. Однако начало промышленного применения вибромашин относится к 1949 г., когда механическими вибра­ торами, разработанными НИИоснований, были погружены ты­ сячи тонн шпунта на строительстве ряда промышленных объ­ ектов. В последующем в разработку машин для этих целей большой вклад внесли О. А. Савинов, А. Я. Лускмн, Б. П. Та­ тарников. Создание в начале 50-х годов вибромолота, совместив­ шего вибрацию с ударами, наносимыми колеблющейся массой по погружаемому элементу, позволило резко интенсифициро­ вать процесс погружения [88].

Успешное применение вибрационных машин для погруже­ ния и выдергивания шпунта и сохранение в замках поднятых шпунтин столбиков грунта послужило основанием Д. Д. Барка-

3

11у и В. Н. Туликову внести в 1949 г. предложение о примене­ нии этих машин для бурения геологоразведочных скважин.

Существенный вклад в развитие вибробурения внес М. Г. Ефремов [46]. В его работах были освещены вопросы ре­ жимов колебаний пружинного вибромолота, выбора веса удар­ ной части вибромолота и т. д.

Большую серию исследований по созданию различных кон­ струкций впбровозбудителей, предназначенных в основном для

А. Я. Лускина, В. М. Пажи, М. Г. Цейтлина, М. Л. Шейкова, Д. А. Алексеева, А. М. Гельфгата, М. Г. Кривенко и других исследователей, в которых рассматривались различные сторо­ ны процесса вибробурения, осуществляемого главным образом поверхностными вибровозбудителями.

В 1959 г. вышла в свет работа Б. М. Гуменского и IT. С. Ко­ марова [40], в которой анализировались физико-химические про­ цессы, происходящие в грунте при внедрении в него вибрирую­ щего инструмента. В том же году была опубликована работа Д. Д. Баркана [9], где излагались теоретические основы вибро­ машин и вибропогружения в грунты, а в 1960 г .— работа О. А. Савинова и А. Я. Лускина [79], также сыгравшая значи­ тельную роль в развитии вибробурения. Обобщение теории виб­ рационных машин сделано в работе И. И. Быховского [23].

беспружинным вибромолотом при инженерно-геологических изы­ сканиях— А. 3. Левицким; вопросы механизации бурения сель­ скохозяйственных скважин на воду вибрационным способом — И. А. Лозовским. Ряд вопросов вибрационного бурения осве­ щен в работах автора, опубликованных в 1957—1970 гг.

За прошедшее время, т. е. с 1949 г., в развитие вибробуре­ ния большой вклад внесен многими организациями, в том числе НИИоснований, Гидропроектом, Мосгоргеотрестом, Ленинград­ ским горным институтом, Томским политехническим институтом, Ленгипротрансом, Ленгипроводхозом, ВНИИстройдормашем, СКВ МГ СССР, Северо-Западным геологическим управлением, Центрально-Казахстанским геологическим управлением, ЦТИСИЗом, ГорьковТИСИЗом, ПНИИИСом и др. Разработкой теории, исследованием и внедрением вибромеханизмов для бу­ рения грунтов помимо названных авторов успешно занимались: А. М. Ашавский, А. Г. Багриновский, Д. Н. Башкатов,

И.И. Блехман, Л. В. Беспалова, А. В. Васильев, А. К- Ветров,

А.А. Волков, Д. П. Высоцкий, С. Д. Джолос, В. Г. Кардыш, Л. И. Куник, А. Э. Лейтгольд, С. И. Лукомский, Ю. М. Лычко, О. П. Медведев, С. А. Осмаков, Д. С. Плинер, В. А. Страхаль,

А.К. Токарев, А. Г. Фомин, Ф. А. Шамшев, О. Я. Шехтер и др. Накопленным к настоящему времени опытом установлены

4

следующие области рационального использования вибромашин для бурения скважин. При статическом моменте массы деба­ лансов 1,5—2,5 кг-м*, частоте колебании 1000—1500 кол./мин и весе 350—700 кг поверхностные вибропогружатели целесооб­ разно использовать для бурения скважин в песчаных, супесча­ ных, суглинистых, глинистых и отчасти крупнообломочных и на­ сыпных грунтах глубиной до 30 м (преимущественно до 15 м), диаметром до 219 мм ** с отбором керна по всему интервалу бурения. В указанных условиях вибромашины позволяют повы­ сить производительность буровых работ в 2—3 раза и снизить их стоимость в 1,5—5 раз. Вибромашины с более низкими пара­ метрами следует использовать для бурения скважин в тех же грунтах глубиной до 5— 6 м, диаметром до 108 мм. Погружные вибромашины могут быть использованы для бурения скважин глубиной более 30 м.

Помимо бурения скважин в грунтах вибрационная техника может быть использована для погружения и извлечения обсад­ ных труб, ликвидации аварий в скважинах, связанных с при­ хватом снаряда на забое, очистки зондов и колонковых труб, вибровращательного бурения крепких и мягких пород, разглинизации стенок скважин, интенсификации приготовления гли­ нистого раствора и др.

В настоящее время вибрационное бурение прочно вошло в практику изыскательских и геологоразведочных работ. Широко­ му промышленному освоению вибробурения в немалой степени способствовала организация серийного выпуска вибробурового оборудования и разработка нормативно-методических докумен­ тов, регламентирующих область применения и основные показа­ тели этого сравнительно нового способа проходки скважин.

В основу написания предлагаемой читателю книги легли результаты обобщения имеющихся литературных источников, а также материалы многолетних теоретических, эксперименталь­ ных и опытно-производственных исследований автора.

Автор выражает глубокую благодарность И. И. Быховскому, оказавшему большую помощь в подготовке рукописи к изданию, а также Б. И. Воздвиженскому, Н. И. Куличихину, Ф. А. Шамшеву, В.. С. Владиславлеву, Н. В. Тихонову, Д. Н. Башкатову, О. А. Савинову, Н. В. Коломенскому, Л. Э. Графу, чьей неиз­ менной поддержкой он пользовался в течение многих лет своей работы.

*Все параметры и расчеты в книге даны в системе СИ; вес выражен в единицах массы.

**Диаметр скважин здесь л в дальнейшем указан по стандартизованно­ му наружному диаметру обсадных труб геологоразведочного сортамента.

5

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА ВИБРАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

ее возрастанием и убыванием. Учение о колебаниях составляет основу ряда областей физики и техники. Хотя колебания, рас­ сматриваемые в различных областях, например, в механике, радиотехнике, акустике и др., отличаются друг от друга своей физической природой, основные законы этих колебаний во всех случаях одинаковые. Простейшим случаем колебаний являются колебания точки. Они представляют собой движение, при кото­ ром точка каждое из своих положений (кроме крайних) на траектории проходит поочередно в противоположных.направле­ ниях. Колебания точки являются частным случаем механиче­ ских колебаний. При механических колебаниях во времени ме­ няется колебательным образом либо координата, либо ее про­ изводные, либо и то, и другое. При рассмотрении прямолиней­ ных колебаний абсолютно твердого тела изучение движения его точек заменяют изучением движения одного центра масс. Этим способом мы нередко будем пользоваться в дальнейшем.

Основные понятия и кинематические характеристики механи­ ческих колебаний рассмотрим на примере колебаний точки мас­ сой т, движущейся под действием восстанавливающей силы F [84]. Под восстанавливающей силой понимается сила, прило­ женная к точке в направлении, противоположном ее смещению от положения устойчивого равновесия, и возникающая вследст­ вие этого смещения. Сила F стремится вернуть точку в равно­ весное положение. Рассмотрим случай, когда восстанавливаю­ щая сила пропорциональна смещению х (коэффициент пропор­ циональности равен с).

6

Найден закон движения точки. Составляя дифференциальное уравнение, получаем

Уравнение (3) представляет собой дифференциальное урав­ нение свободных колебаний при отсутствии сопротивления. Ре­ шение этого линейного однородного дифференциального урав­ нения второго порядка ищут в виде x — t nt. Полагая в уравнении

Поскольку корни этого характеристического уравнения являются

Это другой вид решения уравнения (3), в котором постоян­ ными интегрирования являются а и фо. При исследованиях ко­ лебаний им пользоваться удобнее.

Скорость точки в рассматриваемом движении равна

Ускорение разно

Простым дифференцированием уравнения (7) можно найти какую угодно производную смещения. Обычно необходимости в более высоких производных, чем вторая, не возникает. В об­ щем случае наличие не равной нулю третьей производной сви­

7

детельствует, что сила, действующая на точку, является пере­ менной. Величина третьей производной как раз и характери­ зует интенсивность изменения силы во времени.

Колебания, совершаемые по закону (7), называются гармо­ ническими колебаниями. Под гармоническими понимают сину­ соидальные колебания, т. е. такие, при которых отклонение колеблющейся величины от ее среднего значения является

синусоидальной функцией времени. Заметим, что. гармониче­ скими колебаниями при противопоставлении их субгармониче­ ским или супергармоническим колебаниям называют такие вы­ нужденные колебания, частота которых равна частоте вынуж­ дающего воздействия. Очевидно, что гармонические колебания являются периодическими, т. е. такими, при которых состояние колеблющейся точки полностью повторяется через равные про­ межутки времени.

Всем характеристикам гармонических колебаний можно дать наглядную кинематическую интерпретацию. Рассмотрим точку В, движущуюся по окружности радиуса а с постоянной угловой

центра колебаний, называется амплитудой колебаний. Величи­ на ср=/гг;+ ф0 называется фазой колебаний. Величина фо опреде­ ляет фазу начала колебаний (начальная фаза). Величина к, совпадающая с угловой скоростью вращения радиуса OB, на­ зывается угловой частотой колебаний. В рассматриваемом слу­ чае угловая частота соответствует частоте так называемых соб­ ственных колебаний точки.

Промежуток времени Т, в течение которого точка совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний. По

8

1) амплитуда и начальная фаза колебаний зависят от начальных условий; 2) частота k, а следовательно, и период Т колебаний от начальных условий не зависят и являются неизменной ха­ рактеристикой данной колеблющейся системы.

Следует иметь в виду, что постоянная сила Р, приложенная к точке, не изменяет характера колебаний, совершаемых точкой под действием восстанавливающей силы F, а только смещает центр этих колебаний в сторону действия силы Р на величину статического отклонения.

Введем ряд других понятий, относящихся к механическим колебаниям. Разность между максимальным и минимальным значениями координаты или другой колеблющейся величины называется, размахом колебаний. Для гармонических колебаний размах равен удвоенной амплитуде. Два или большее число одновременно происходящих периодических колебаний, имею­ щих одинаковую частоту, представляют собой синхронные коле­ бания. Синфазными называются два или большёе число син­ хронных колебаний, основные гармоники которых имеют оди­ наковую фазу.

Любые гармонические колебания являются периодическими, но не всякие периодические колебания являются гармонически­ ми. Нередко периодические колебания имеют достаточно слож­

9