Вибрационное бурение неглубоких скважин

Технологические параметры, определяющие эффективность вибрационного бурения неглубоких скважин, - момент эксцентриков, частота и амплитуда колебаний.

При практических расчетах величина максимальной центробеж­нй силы (возмущающего усилия) от вращения двух дебалансов (в Н) определяется по формуле

F_max=(Q₀ε)n²10^-3                 (16.5)

где Q₀ε - суммарный статический момент силы тяжести дебалансов. Н·м; n - частота вращения дебалансов, мин-1.

Погружающая способность вибровозбудителя в соответствующем диапазоне частот оценивается величиной амплитуды колебаний (в м), которая может быть вычислена по упрощенной формуле

A=(Q₀ε)α_∞/ΣQ              (16.6)

где α_∞ - коэффициент, учитывающий влияние массы грунта, принимающей участие в колебаниях, для суглинка и глин α_∞=0,7÷0,85, для супесей α_∞=0,85, для мелкозернистых песков α_∞=0,9÷0,95; ΣQ=Q₁+Q₂ вес вибровозбудителя Q₁ и бурового снаряда Q₂, Н.

Скорость колебаний (в м/с)

ν_max=Аω;               (16.7)

мощность, расходуемая вибровозбудителем (в Н·м/с или Вт)

                (16.8)

Здесь ω=πn/30 - угловая скорость, с-1; n₁ - коэффициент демпфирования колебаний, зависящий от свойств грунта, с-1, для вязких грунтов n₁=20÷30, для слабосвязанных n₁<20.

Полученное значение N_B следует увеличить на 25-30%, что соответствует поправке, учитывающей потери на трение в вибровозбудителе и дополнительные электрические потери в электродвигателе.

Частота вращения дебалансов

n=n_уi,               (16.9)

где n_у - частота ударов вибромолота в 1 с; i - отношение частоты вращения дебалансов к средней частоте ударов вибромолота.

Значение средней величины i для различных глубин скважин приведено ниже.

Глубина скважины, м	0-4	4-8	8-15	15-30
i	1	2	3	4

Момент эксцентриков (в Нм):

            (16.10)

где Р=2Р_пр - вес ударной части вибромолота, Н; P_пp=1,2m_иg - приведенный вес инструмента, Н; m_и - масса инструмента, состоящая из массы виброзонда и бурильных труб, кг; v_у= √2gA₀ - скорость движения ударной части; А₀ - максимальное расстояние от ограничителя до ударной массы (величина отскока), м; К_А - амплитудный коэффициент.

Амплитудный коэффициент К_А для различных значений i приведен ниже:

1	2	3		4
КА	1,6-2,9	1,8-4,3		1,9-8,8
i	4	5	6	7
КА	4,0-13,6	6,4-19,4	9,8-27,0	15,6-30,0

Мощность, расходуемая беспружинным вибромолотом на удары

                (16.11)

где A_∞=Q₀ε/P - предельная амплитуда колебаний свободно подвешенного вибромолота, м.

Ориентировочно мощность может быть определена по формуле

N_б.в=1,5(Q₀ε)ω.            (16.12)

Вибрационные буровые установки оснащаются вибропогружателями с постоянными параметрами, поэтому в процессе бурения параметры технологического режима не регулируются. Для эффективного бурения скважин глубиной 15-25 м вибропогружатель должен иметь следующие параметры: момент дебалансов 15-25 Нм, частоту вращения 1000-1500 мин-1, массу ударной части 300-500 кг, мощность приводного двигателя 7-10 кВт. При бурении глин, суглинков, плотных слабовлажных песков рекомендуется применять низкочастотные вибропогружатели с большим моментом дебалансов; при бурении супесей и влажных песков - высокочастотные.

В легких условиях оптимальная длина рейса (в м) находится в пределах 2-7, средних - 1,5-3,5, тяжелых - 0,3-3. Оптимальная длина рейса на 5-20% меньше предельной.

Пример 16.4. Определить мощность, расходуемую беспружинным вибромолотом при бурении скважины диаметром 146 мм на глубине 20 м в нескальных грунтах, если масса инстумента (виброзонда и бурильных труб диаметром 50 мм) составляет m_и=144 кг; средняя величина отскока, полученная с помощью виброграмм, А₀=4·10^-2м, а число ударов в 1 с n_уд=6.

Решение. Приведенный вес инструмента

Р_пр=1,2 ·144·9,81=1695,2 Н;
Р=2·1693,4=3390,4 Н.

Скорость движения ударной части 

Находим i=4; К_А=9. Определяем Q₀ε по формуле (16.10) и A_∞

Частота вращения дебалансов в 1 мин по формуле (16.9)

Тогда из выражения (16.11)