Вибрационное бурение неглубоких скважин

Вибрационным называется бурение, при котором для разрушения породы на забое скважины используются механические колебания большой частоты, создаваемые вибрационной машиной и передаваемые породоразрушающему инструменту через колонну бурильных труб (рис. 103).
Колебания, возбуждаемые вибрационной машиной, могут быть использованы двумя путями.
В первом случае источником колебаний служит вибратор, жестко связанный через бурильную колонну с породоразрушающим инструментом и во время работы сообщающий ему возвратно-поступательное движение. В результате большой частоты колебаний (20—33 в 1 с) инструмента мягкие породы (пески, суглинки, глины и др.), расположенные в непосредственной близости от него, переходят в подвижное состояние. Сопротивление породы сдвигу при этом резко снижается, и инструмент погружается в нее под действием собственного веса. Такая разновидность вибрационного бурения называется вибропогружением.

Второй вид вибрационного бурения, называемый виброударным, осуществляется с помощью вибромолота. Прижатому к забою инструменту через бурильную колонну вибромолотом сообщаются частые удары, направленные в сторону забоя. Под действием инструмент внедряется в породу и разрушает ее.
Принципиальная схема применяющегося при бурении двухблочного вибратора показана на рис. 104, а. От электродвигателя 8 при помощи клиповых ремней 6 вращение передается одному из валиков 5 вибратора. Второй валик приводится во вращение от первого через шестерни 7. Валики вибратора с закрепленными на них эксцентриками 4 находятся в корпусе 3. Для присоединения к вибратору бурового инструмента на днище корпуса закреплен переходник 11. В верхней части вибратора имеется серьга 9.
В процессе работы вибратора эксцентрики вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью и фазовым углом. Масса эксцентриков и величина их эксцентриситетов одинаковы. Поэтому возникающие при вращении валиков центробежные силы ф1 и ф2 равны между собой. Направление этих сил постоянно меняется. Горизонтальные составляющие центробежных сил S1 и S2 при любом положении эксцентриков равны и имеют противоположное направление. Поэтому они всегда взаимно уравновешиваются. Вертикальные составляющие центробежных сил P1 и P2 всегда равны по величине и совпадают по направлению. Результирующая этих сил P1 + P2 = 2P возмущающая сила) постоянно меняется по знаку и создает вертикальные колебания вдоль оси бурового снаряда, соединенного с вибратором.
Различают вибраторы с жестким креплением двигателя к корпусу (БТ-6, БТ-9, В-109) и вибраторы, называемые подрессоренными (ВПМ-1, ВПМ-2, ВБЛ-3М, ЛГИ-1, ЛГИ-2), корпус которых отделен от двигателя пружинами 1.
В вибромолотах (рис. 104, б) между корпусом механизма, в котором заключены валики с эксцентриками 4, и буровым снарядом введена система молота и наковальни. Наковальня 12 воспринимает односторонние удары со стороны вибрирующего корпуса машины и передаст их через переходник 11 на буровой снаряд.
В настоящее время применяются вибромолоты ВБ-7, ВГ-6, ВГ-8 (беспружинные), С-402А, С 833, С-835 (пружинные) и др.
Вибрационные машины используются для бурения неглубоких скважин в мягких породах при инженерно-геологических изысканиях и разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, для спуска и извлечения обсадных труб, а также при ликвидации некоторых аварий в скважинах.
Вибромашины ВО-6, BO-10, ВО-14, С-835, ВГ 6, ВГ-8 имеют центральное отверстие, позволяющее при помощи специального зажимного патрона закреплять их на гладкой части обсадных труб, оставляя верх колонны открытым для спуска в нее на канате желонки или другого инструмента.
В основном вибромашины приводятся в действие электродвигателями. Меньшая их часть (БТ-6, ВДШ-1) имеют привод от двигателей внутреннего сгорания через гибкий вал.
Вибраторы ЛГИ-1 и ЛГИ-2 отличаются тем, что наряду с вибрационным движением могут передавать инструменту вращательное.
В табл. 36 приведена техническая характеристика некоторых вибромашин.
С увеличением длины колонны бурильных труб затухают колебания породоразрушающего инструмента и замедляется углубление скважины. Поэтому глубина вибрационного бурения не превышает 25—30 м.
Применяемые в настоящее время вибрационные установки делятся на переносные, передвижные и самоходные. Переносные установки используются в труднодоступных районах. Передвижные установки обычно монтируются на одноосном колесном прицепе и транспортируются буксированием.

Самоходные установки монтируются на автомашинах или тракторах. Изображенная на рис. 105 установка АВБ-2М предназначена для бурения скважин диаметром 168—108 мм вибрационным способом на глубину до 20 м. Установка смонтирована на автомашине ГАЗ-66. От двигателя автомашины через трансмиссию приводятся планетарная лебедка и генератор. На раме автомашины шарнирно закреплена трубчатая мачта, поднимающаяся и опускающаяся с помощью винтового подъемника, имеющего индивидуальный привод от электродвигателя через червячную пару. В качестве рабочего органа для бурения скважин используется беспружинный вибромолот ВБ-7 с приводом от электродвигателя. Электроэнергия к двигателям вибромолота и подъемника мачты подается от генератора. Лебедка предназначена для выполнения спуско-подъемных операций, удержания вибромолота в подвешенном состоянии, а также производства вспомогательного для данной установки ударно-канатного бурения.
Тип породоразрушающего инструмента, применяемого при вибрационном бурении, зависит от физико-механических свойств пород и целевого назначения скважины.
Для бурения сухих песков и связных глинистых пород применяется виброзонд (рис. 106, а), представляющий собой цельнотянутую трубу длиной 1,5—3 м с заостренным башмаком внизу и продольным вырезом на боковой поверхности. Вырез служит для осмотра поднятой из скважины породы и очистки от нее зонда. Диаметры зондов 89, 108, 127, 146, 168 и 219 мм.
Слабосвязные породы с повышенной влажностью бурят виброзондом с клапаном (рис. 106, б).
Образцы породы с ненарушенной структурой отбираются забивным грунтоносом (см. рис. 60, б).
Скважины глубиной до 5—6 м по мягким породам, свободно входящим в грунтонос без образования пробок, бурят за один рейс на всю глубину скважины. В более плотных породах, а также при глубине скважины, превышающей высоту мачты, бурят за несколько рейсов. Углубление за рейс при этом зависит от плотности пород и составляет 0,3—0,5 м.
При разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, когда требуется тщательное опробование, бурят с ходовой обсадной колонной, породу из которой извлекают желонками или грунтоносами через определенные интервалы (0,2 м).
Производительность вибробурения при глубине скважин до 10 м достигает 50—60 м в смену.