Бурение грунтов в условиях крайнего севера

Оглавление:

Стр 1…………………………………………………….Оглавление

Стр 2…………………………………………………….Введение

Стр 3,4,5…………………………………………………..Виды бурения

Стр 6……………………...Оборудование для бурения крайнего севера

Стр. 6,7,8,9,10…………………………Бурение в условиях крайнего севера 
Ведение

Бурение является одним из остновопологающих процессов в строительстве,т к на этом завязаны множество оппераций на разных этапах строительства. Начиная от геолого-разведки (гнологические изыскания),заканчивая бурением под сваи и тп. В даннор работе мы попробуем ознакомиться с такими работами как:

• Анализ средств для буровых работ

Анализ бурения в мерзлых грунтах 
Виды бурения

В данной работе рассматриваются различные технические средства, применяемые при бурении скважин с использованием малогабаритных буровых установок, а также технологические условия их применения. Кроме того производится анализ способов использования конструктивных особенностей машин, предназначенных для бурения при производстве специальных работ (изысканий) и представлены правила оформления, порядок получения оборудования, рассмотрена их комплектация инструментом и материалами.

1. Анализ способов и технологий  производства работ на малогабаритных  буровых установках

Действие буровых машин основано на различных способах бурения, которые могут быть подразделены: на физические и механические.

К физическим способам бурения относятся термический, ультразвуковой, электрогидравлический, высокочастотный и гидравлический.

Термический способ получил широкое распространение. Остальные физические способы разрушения грунтов находятся в стадии теоретических и экспериментальных разработок.

Ультразвуковой способ бурения основан на принципе совместного воздействия на горную породу ультразвуковых колебаний инструмента и кавитационного эффекта в промывочной жидкости.

Электрогидравлическое бурение осуществляется подачей высокого напряжения на контакты электрической цепи, помещенные в воду, налитую в скважину. В результате пробоя межэлектродного промежутка образуется газовый канал высокого давления, разрушающий горную породу.

При высокочастотном способе используется энергия специальных генераторов, создающих электромагнитные поля высокой частоты, под действием которых порода нагревается и становится хрупкой.

При гидравлическом способе грунт разрушается тонкой (0,8-1 мм) струей воды, имеющей сверхзвуковую скорость и давление до 2-108 Па.

Большинство типов машин и оборудования для буровых работ устроено и действует по механическому способу бурения.

В зависимости от кинематических условий воздействия на грунт различают вращательные, ударно-вращательные, ударно-поворотные и комбинированные буровые машины. В них применяется механический, электрический или пневматический привод, ходовое оборудование -- гусеничное, колесное и шагающее.

Процесс бурения состоит из операций разрушения грунта в скважине, извлечения его и закрепления стенок скважины обсадными трубами.

Разбуренный грунт удаляется специальным инструментом, промывкой скважины водой или глинистым раствором, а также продувкой.

Обсадные трубы предохраняют стенки скважины от обрушения, служат для изоляции ее от водонасосных грунтовых пластов и сохранения ее направления.

При вращательном бурении каждая точка режущей кромки бурового инструмента движется по винтовой линии, отделяя стружку или куски грунта. Такое движение осуществляется за счет вращения и осевой подачи бурового инструмента, причем энергия вращения намного превышает энергию его подачи.

Грунт разрушается по всему дну скважины или только по кольцу. В первом случае рабочий процесс называется бурением сплошным забоем, во втором -- колонковым бурением.

При колонковом бурении в центральной части скважины образуются цилиндры грунта (керны) с ненарушенной структурой. На кернах, извлеченных из скважины, исследуются физико-механические свойства грунтов.

По способу вращательного бурения устроены буровые сверла, бурильно-крановые машины, станки вращательного бурения и установки для бурения скважин под буронабивные сваи.

Производительность машин вращательного бурения зависит от крепости грунта, осевой нагрузки на буровой инструмент, скорости его вращения и конструкции бурового инструмента. Коэффициент использования по времени машин вращательного бурения достигает 0,6.

Станки ударно-вращательного бурения.

Принцип ударно-вращательного бурения заключается в разрушении грунта последовательными ударами инструмента, который одновременно вращается вокруг своей оси. Рабочий процесс осуществляется двумя независимыми механизмами -- ударным и вращательным.

Характерными особенностями ударно-вращательного бурения являются большая ударная нагрузка, малый крутящий момент и незначительное осевое усилие, необходимое для преодоления сил реакции забоя при ударе.

Станки ударно-вращательного бурения применяются для образования скважин диаметром до 155 мм и глубиной до 80 м в грунтах большой крепости.

Станки термического бурения.

Принцип термического бурения заключается в том, что нагретая до температуры 2500-3500°С газовая струя выбрасывается из сопла горелки со скоростью 1800-2000 м/с и интенсивно прогревает слой грунта в забое скважины. Вследствие разности термических напряжений в соседних слоях грунт разрушается на мелкие частицы, которые удаляются из скважины парогазовой струей.

Термическое бурение целесообразно применять для грунтов очень крепких, имеющих кремнистую основу, и тугоплавких с низкой теплопроводностью, которые растрескиваются раньше, чем начинается их плавление (плавление снижает производительность термического бурения).

Станки термического бурения предназначаются для бурения скважин глубиной до 40 м диаметром до 250 мм.

Одним из преимуществ термического бурения является возможность получения переменного диаметра скважины. В этом случае процесс бурения разделяется на три этапа. Вначале бурение ведется с максимальной скоростью на полную глубину при нормальном режиме работы горелки.

На втором этапе производится разбуривание скважины; горелка, работая в форсированном режиме, движется снизу.

Процесс разбуривания сопровождается интенсивным разрушением породы; крупные частицы оседают на забое скважины, образуя столб шлама.

На третьем этапе идет очистка скважины путем опускания горелки, работающей в нормальном режиме.

Производительность термического бурения зависит от скорости подачи и угловой скорости вращения термобура, а также от крепости разрушаемой породы. С увеличением скорости подачи термобура производительность возрастает до определенного предела, а затем падает, так как разрушение переходит в плавление.

Основные направления автоматизации бурильных машин состоят в разработке систем автоматизации процесса бурения, вспомогательных процессов, а также контроля и учета производительности.

Производительность бурения зависит от рационального сочетания параметров процесса -- нагрузки на инструмент, частоты его вращения, способа и условий удаления шлама и др. В этой связи цель автоматизации процесса бурения -- регулировать параметры процесса таким образом, чтобы производительность была наибольшей. В конечном итоге это сводится к регулированию частоты вращения бурового инструмента в зависимости от усилия подачи.

В состав средств автоматизации станков вращательного бурения входит система автоматического регулирования процесса бурения, система программного управления механизмом перехвата и наращивания штанг, выносной пульт дистанционного управления перемещением станка, автоматический кабельный барабан, устройства автоматической установки мачты под заданным углом и автоматического учета производительности машины.

Станки ударно-вращательного бурения дополнительно должны иметь устройство для автоматической блокировки подачи воздуха в пневмоударник и вращения бурового инструмента.

Станки термического бурения оснащаются системой автоматической стабилизации расстояния горелки от забоя скважины, системой автоматического регулирования соотношения компонентов горючей смеси, устройством автоматического слива воды, индикатором глубины бурения, системой автоматического выравнивания станка, устройствами автоматического учета производительности станка и расхода окислителя и топлива.

3. Технические требования  к использоваемому оборудованию (мерзлый грунт)

Для производства буровых работ на мёрзлых грунтах в основном используется буровой инструмент двух типов: режущий буровой инструмент и дробящий буровой инструмент. Наиболее распространённым инструментом дробящего типа являются шарошечные долота.

Долото состоит из корпуса, лапы с цапфой и шарошки, на поверхности которой размещены твердосплавные зубки. Разрушение грунта шарошкой происходит вдавливанием зубков в грунт при вращении долота и приложении к нему осевой нагрузки. Очистка скважины от разрушенного грунта происходит продувкой скважины.

Многолетняя мерзлота характеризуется нестабильностью прочностных свойств. Это обусловлено изменением влажности и температуры грунта по всей глубине скважины, наличием каменистых включений, зон вялой мерзлоты, талых слоев грунта, а также его гранулометрического состава. Так как в процессе работы шарошечных долот возникают высокие динамические нагрузки, они интенсивно истираются.

Более эффективными при бурении мёрзлых грунтов являются долота режущего типа, получившие название лопастных долот.

Лопастные долота значительно отличаются от шарошечных долот по принципу их действия на грунт. Эти долота производят разрушение фунта резанием и скоблящим действием. При этом отсутствуют ударные нагрузки и вибрация, присущие шарошечным долотам.

Конструктивно эти долота содержат корпус и закреплённые на нём режущие элементы в виде лопастей различной конфигурации с армированными режущими кромками или отдельно закреплённые резцы. Очистка скважин от разбуренного фунта осуществляется, как правило, с помощью шнека.

Процесс разработки мёрзлого грунта долотом режущего типа происходит следующим образом.

При вращении инструмента за счёт приложения к нему крутящего момента и осевого усилия режущие кромки резцов внедряются в мёрзлый грунт и осуществляют его резание. По мере погружения долота в фунт свободные полости вокруг него заполняются измельчённым фунтом и при достижении массы разбуренного материала первого витка шнека выносятся им из образуемой скважины. Схема разрушения буровым долотом режущего типа во многом схожа со схемой разрушения фунта резанием. Особенностью данной схемы является то, что рабочий элемент инструмента движется по кольцевой поверхности. В связи с этим у большинства конструкций бурового инструмента их режущие кромки находятся в постоянном контакте с забоем. Непрерывный контакт рабочих поверхностей с фунтом, большая площадь этого контакта, а также относительно высокая скорость погружения и отсутствие охлаждающего агента приводят к сильному разогреву долот.

Установлено, что на периферии рабочего инструмента температура нагрева достигает 1300°С. Указанные причины определяют основные недостатки такого инструмента, главным из которых является интенсивный износ рабочих кромок, особенно в твёрдомёрзлых абразивных фунтах, и в итоге изменения диаметра долота и пробуренной скважины. Существенным недостатком является и то, что в процессе бурения происходит оттаивание фунта и последующее его намерзание на поверхности рабочего оборудования. В результате чего межвитковое пространство шнека забивается разбуренной породой. В этом случае процесс бурения становится невозможным и для его продолжения необходима очистка инструмента от намёрзшего фунта, для чего колонну со шнеком вынимают из скважины, производится её разработку и очистку инструмента.

Ввиду особенности физико-механических свойств мёрзлых фунтов применение бурового инструмента, как режущего, так и шарошечного типа имеют свои негативные стороны. Поэтому существует комбинированный буровой инструмент, сочетающий в себе элементы шарошечного долота и режущего инструмента.

При бурении режуще-шарошечными долотами порода на забое скважины разрушается под действием лезвия режущего органа и шарошек долота. Возможность совместной или поочерёдной обработки забоя шарошечным или режущим породоразрушающим инструментом позволяет повысить эффективность процесса разработки за счёт совместного их воздействия на разрабатываемый фунт. Так, шарошки долота осуществляют раздавливание и скалывание породы с образованием микротрещин и, тем самым, облегчает процесс резания лезвием режущего органа.

Режущий орган, в свою очередь, производит зачистку забоя и облегчает последующую работу зубьев шарошки.

Комбинированное воздействие на среду резанием и дроблением снижает энергоёмкость процесса разрушения, увеличивает стойкость долот и повышает скорость бурения.

Инструмент режуще-шарошечного типа наиболее эффективен для фунтов и пород мягкой и средней прочности.

На рис. 1 и 2 представлены конструкции режуще-шарошечных долот. Долота состоят из корпуса, образованного четырьмя сваренными лапами, двух шарошек, режущего орган и пружины. Две лапы служат для установки шарошек, а в двух других помещается режущий орган, который вставляется в направляющие пазы и прижат пружиной.

Рис. 1. Комбинированное режуще-шарошечное буровое долото с режущей пластиной.

Рис. 2. Комбинированное режуще-шарошечное долото с резцами.

Лезвие режущего органа может армироваться пластинами твёрдого сплава ВК-88 или оснащаться сменными резцами.

Работает режуще-шарошечное долото следующим образом. При бурении крепких породных прослоек на долото увеличивается осевая нагрузка, при этом режущий орган устанавливается внутрь корпуса долота, в работу вступают шарошки, и осуществляется одновременная обработка забоя зубьями шарошек и лезвиями режущего органа.

Совместное воздействие создаёт благоприятные условия для работы каждого из породоразрушающих органов. Зубья шарошек при внедрении в породу нарушают её целостность, вызывают возникновение трещин, образование выступающих гребешков и напряжённого состояния от воздействия большого осевого усилия. Всё это облегчает внедрение в породу режущего органа и снятие стружки по ослабленной поверхности забоя. В свою очередь, режущий орган подготавливает забой для шарошек, очищая дно забоя, что устраняет излишнее измельчение грунта.

Комбинированный буровой инструмент наиболее эффективен при бурении скважин в грунтах с большим наличием каменистых включений. Использование такого инструмента на вечномёрзлых грунтах с наличием талых прослоек невозможно из-за налипания и последующего намерзания талого грунта в пазухах между шарошечными и режущими органами.