Конструкции мониторов европейских и японских компаний
Скважинные мониторы европейских и японских компаний, в своем большинстве, имеют сходные конструкции. Во многих конструкциях мониторов к нижней части корпуса крепится буровой снаряд - в виде буровой коронки или трехшарошечного долота, что позволяет начать струйный размыв сразу же после завершения бурения рабочей скважины, устраняя лишние операции по извлечению бурового снаряда и монтажу монитора.
На рис. 1.9 показана конструкция однокомпонентного монитора итальянской компании с двумя боковыми насадками и вмонтированным буровым снарядом.
Рис. 1.9. Конструкция однокомпонентного монитора итальянской компании «Родио» 1 - цементный раствор; 2 - бурильная штанга; 3 - струйная насадка; 4 - шарик; 5 - гнездо клапана; б - буровой снаряд
Корпус монитора крепится на резьбе к буровой штанге. При вращении монитора используются вертлюг и гидравлический вращатель бурового станка.
На рис. 1.10 показана принципиальная конструкция трехкомпонентного монитора компании «Родио».
Рис. 1.10. Трехкомпонентный струйный монитор итальянской компании «Родио» 1 - водяная насадка; 2 - воздушная насадка; 3 - шарик; 4 - клапан; 5 - буровой снаряд
Здесь размывающая жидкость (вода) подается по специальному каналу к водяной насадке, сжатый воздух подается по другому каналу к соосной с водяной воздушной насадке, а твердеющий раствор - по центральной трубе к нижерасположенной растворной насадке. Обычно подводящие трубы струйных мониторов большинства компаний располагаются концентрично друг с другом и монтируются в виде секций определенной длины. Секции подводящих труб изготавливаются с высокой прецизионной точностью, и поэтому надежно соединяются на специальных резьбовых соединениях с ленточной резьбой и надежными уплотнениями, позволяющими эффективно работать при больших давлениях -от 20 до 100 и более МПа.
На рис. 1.11 показана конструкция однокомпонентного монитора итальянской компании «Казагранде», включающая головку монитора, однокомпонентный вертлюг и соединительную секцию между вертлюгом и секциями подводящих труб.
Рис. 1.11. Конструкция однокомпонентного струйного монитора итальянской компании Казагранде». Головка монитора, вмонтированный буровой снаряд (трехшарошечное долото), однокомпонентный вертлюг и соединительная секция между вертлюгом и секциями труб для подвода рабочих компонентов 1 - головка монитора; 2 - растворная струйная насадка; 3 - автоматический или шариковый клапан; 4 - крепление бурового снаряда; 5 - раствор; 6 -вертлюг; 7- соединительная секция с клапаном
На рис. 1.12 показана конструкция двухкомпонентного монитора, включающая корпус монитора и двухкомпонентный вертлюг.
На рис. 1.13 показана конструкция трехкомпонентного монитора,
включающая корпус монитора, трехкомпонентный вертлюг и секцию концентричных
подводящих труб.
Практически все европейские и японские компании,
использующие струйную геотехнологию, применяют сверхвысокие давления размывающей
жидкости для обеспечения гарантированного размыва любых нескальных грунтов,
независимо от их характеристик. При этом используются относительно небольшие
расходы размывающей жидкости - 3...6 м3/час. Поскольку при сверхвысоких
давлениях не требуются большие площади поперечного сечения каналов для подачи
размывающей жидкости, мониторы большинства компаний имеют очень небольшой
диаметр - до 80...90 мм. Это позволяет также бурить рабочие скважины малого
диаметра, что обеспечивает высокую производительность
бурения.
Рис. 1.12. Конструкция двухкомпонентного струйного монитора
итальянской компании «Казагранде». Головка монитора и двухкомпонентный
вертлюг
1 - соединительная секция с воздушным клапаном одностороннего
действия; 2- головка струйного монитора; 3- концентричные растворная и воздушная
насадки; 4 - автоматический или шариковый клапан; 5 - буровой снаряд; б-раствор;
7-вертлюг для раствора; 8 - вертлюг для сжатого воздуха; 9-соединительная
секция; 10- сжатый воздух
Рис. 1.13. Конструкция трехкомпонентного струйного монитора
итальянской компании «Казагранде». Головка монитора, трехкомпонентный вертлюг и
секция концентричных
труб для подвода рабочих компонентов 1 - труба для
раствора; 2 - труба для сжатого воздуха; 3 - труба для воды; 4 - вода; 5 -
сжатый воздух; 6- раствора; 7- концентричные водяная и воздушная струйные
насадки; 8-растворная секция монитора; 9-растворная насадка; 10-автоматический
клапан; 11 - буровой снаряд
Соответственно, и гибкие рукава для подвода к монитору жидких рабочих компонентов под сверхвысокими давлениями имеют небольшие внутренние диаметры, что позволяет обеспечить их высокую прочность. Следует, однако, отметить, что узкие каналы в мониторах описанной конструкции и гибких рукавах создают большие гидравлические сопротивления, следствием чего бывают большие потери давления в гидравлической системе. Поэтому часто большая часть сверхвысокого давления, создаваемого насосом, теряется на преодоление гидравлических сопротивлений.
Эффективность размыва грунта в большой степени определяется формой и размерами внутренней полости размывающей насадки. На основании исследований установлены наиболее оптимальные параметры насадки, при которых образуются наиболее компактные струи. На рис. 1.14 показан пример конструкции размывающей струйной насадки с оптимальными характеристиками.
Рис. 1.14. Пример коеструкции размывающей струйной насадки с оптимальными характеристиками
Такая насадка должна иметь входную коническую и выходную цилиндрическую части. При этом длина цилиндрической части должна быть в пределах внутренних ее диаметров. Оптимальным углом конусности для конической части (угол между осью и образующей конуса) считается 6,5 . На выходной части насадки целесообразно устраивать ступенчатую расточку размерами по 1 мм в радиальном и продольном направлениях. При этом переход жидкой высокоскоростной струи от напорного движения к свободному безнапорному движению под давлением окружающей среды происходит более плавно.
При сверхвысоких скоростях, особенно в случаях, когда размывающей жидкостью является цементный раствор, поток жидкости в насадке обладает исключительно высокими абразивными свойствами. В результате, стенки насадок, изготовленных из обычных конструкционных материалов, подвергаются интенсивному истиранию. Поэтому на внутренних поверхностях насадок необходимо устраивать противоабразивное покрытие. Обычно для этого используется напыление тонким слоем (порядка 8... 12 мкм) карбида вольфрама.
В настоящее время в России считают более рациональным (то есть более прочным и экономичным) покрытие из карбида титана. Указанные покрытия могут быть надежными лишь при нанесении на полированную поверхность. На грубо обработанной поверхности надежность покрытия не гарантируется. В России (где в струйной геотехнологии используются сравнительно небольшие давления, до 10 МПа) достаточно успешно применяются насадки, изготовленные из высокопрочной стали и подвергнутые термической закалке. Такие насадки, по мере увеличения их внутреннего диаметра вследствие абразивного износа, заменяются на новые.
Поскольку при сверхвысоких давлениях и малых расходах жидкости насадки имеют малые диаметры, обычно 1,8...3 мм, существует реальная опасность забивки насадки во время работы твердыми включениями, комками цемента или даже кусочками окалины, образующимися при сварке подводящих трубопроводов. При использовании сверхвысоких давлений непрочные комки могут разрушиться, но попавшие в систему мелкие твердые включения, а также цемент, оседающий из раствора при длительных остановках, и недостаточно перемешанный бентонитовый порошок, добавляемый в цементный раствор, способны не только закупорить выходное отверстие, но также повредить защитное покрытие и даже разрушить насадку. На практике это часто имеет место.
Насадки для подачи раствора при закреплении грунтов по трехкомпонентной технологии обычно работают под давлениями 4...6 МПа и имеют диаметры от 4 до 8 мм.
