Автореферат выпускной работы магистра на тему: разработка забивного пробоотборника с увеличенной энергией удара для бурения морских инженерно-геологических скважин.

Актуальность.

Основной задачей инженерно-геологического бурения является изучение геологического разреза и отбор образцов грунта с целью выявления его состава, состояния и физико-механических свойств. Это определяет ряд специфических требований к опробованию в процессе сооружения скважин, которые существенно отличаются от предъявляемых при поиске и разведке полезных ископаемых. При сложившейся сегодняшней политической, экономической и экологической ситуации специалисты по добычи и разведке месторождений полезных ископаемых большое значение придают наиболее простым и доступным методам инженерно-геологических изысканий. Указанный метод должен обеспечивать легкость и эффективность работ. Опыт ударно-забивного бурения на суше обусловил интерес специалистов морского бурения. Однако, отбор проб грунта на шельфе представляет большую сложность в связи с условиями работ и областью применения. Бурение инженерно-геологических скважин в морских условиях имеет существенное отличие от сухопутного вследствие прямой зависимости от гидро- и метеорологических факторов, что приводит к резкому удорожанию буровых работ. Необходимость разрешения приведенных проблем толкает специалистов на создание новых моделей и конструкций пробоотборников забивного типа.

Обзор существующих исследований и разработок.

Первые образцы забивных трубок были разработаны еще в 20-е годы ХХ столетия и до настоящего времени это направление не потеряло смысла. Сегодня мы имеем большое количество конструкций пробоотборников предназначенных для отбора проб грунта на шельфе. Первоначально это были простые сбрасываемые с борта судна трубки. Они внедрялись в грунт под действием собственного веса, после чего их извлекали на поверхность. Однако высота отбираемого керна была на столько незначительной, что данные трубки были не эффективны в работе и не нашли широкого применения. Появилась необходимость создания устройств, позволяющих регулировать в той или иной степени глубину внедрения пробоотборника. Наиболее простыми моделями забивных трубок являются ручные пробоотборники, внедряющиеся в грунт за счет кинетической энергии грузов, поднимаемых непосредственно исследователем. Их конструкции весьма близки и включают колонковую трубу, снабженную укрепленной на верхнем конце наковальней со штоком, по которому передвигается направляемый аквалангистом свободно падающий груз. Различия между марками ручных забивных трубок носят в основном количественный характер и заключаются в величинах диаметра и длины колонковой трубы, весе и высоте подъема груза, а также в материалах, из которых изготовлены пробоотборники. Известен забивной пробоотборник конструкции Института Чесапикского залива. Его конструкция состоит из колонковой трубы 1 диаметром 70 мм и длиной 1,5м, изготовленной из пластика и закрепленный в направляющей трубе высотой 1,8м, которая снабжена съемной наковальней.[1,c145] К корпусу клапана на эластичных жгутах подвешена ударная алюминиевая труба с площадкой . пробоотборник массой 11,8 кг опускается с борта лодки в точке отбора пробы и вручную задавливается в осадки на некоторую глубину. Затем один или два рабочих становятся на площадку и , подпрыгивая, наносят удары по наковальне. Труба внедряется в грунт, отбирая колонку. Это простейшее устройство позволяет брать пробы длиной до 1,5м, диаметром 64мм.[2,c85] Следует подчеркнуть, что штанговые ручные ударно-забивные пробоотборники не получили распространения в основном из-за значительных неудобств их эксплуатации и трубка Б.Оверзеева является, пожалуй, единственной конструкцией этого типа. Внимание специалистов привлекали конструкции пробоотборника с грузами, поднимавшимися на тросе судовой лебедки. Одним из первых такую трубку сконструировал немецкий океанолог Науманн в 1923 г. она представляла колонковую трубу с отполированной наружной поверхностью и переходником-наковальней, укрепленным на ее верхнем конце. Снаружи на трубу были одеты два скользящих хомута, соединенных с П-образной рамой, снабженной грузом-молотком и подвешенной на тросе судовой лебедки. Трубка внедряется в осадки на некоторую глубину за счет накопленной кинетической энергии. Затем колонковая труба заглубляется в дно ударами поднимаемого на тросе груза-молотка по наковальне. Этот же груз может быть использован для выбивки колонковой трубы из грунта. В том же году Ауэрбах предложил конструкцию забивной трубки, в которой груз перемещался по раме, жестко укрепленной над наковальней колонковой трубы. В последующие годы учеными разных стран было разработано большое число ударно-забивных трубок, представляющих модификации этих конструкций. В 1965 г сотрудник американской фирмы "ЭССО рисе рэнд энжиниэринг компани" Л.Липскомб сконструировал пробоотборник, который состоит из полой направляющей штанги с наковальней , ударного груза весом 120 кг, подвешенного на цепях к коромыслу специального троса, колонковой трубы с керноприемным вкладышем, переходника , в котором предусмотрено седло для шарикового клапана , и водопроводящего шланга . Пробоотборник опускается на дно на тросе, и после его контакта с поверхностью грунта по шлангу с судна подается напорная вода, размывающая забой скважины. При достижении грунтоносом интересующего исследователя горизонта подача напорной воды на забой прекращается, и дальнейшее внедрение снаряда осуществляется ударами поднимаемого на тросе груза по наковальне. Перед извлечением пробоотборника из осадков в него по шлангу сбрасывается шарик, давлением столба воды прижимаемый к седлу клапана и препятствующий выпадению пробы. На рисунке представлены трубка Липскомба (а) и пробоотборник Мослера-Шпана(б)

В 1969 г. швейцарским ученым Г. Зулигом для отбора проб озерных отложений с борта легкого моторного катера был сконструирован рамный поршневой пробоотборник с переменным грузом массой 10-15 кг. На тонкостенном цилиндрическом основании болтами укреплены две трубчатые направляющие стойки, соединенные траверсой. По стойкам может передвигаться каретка, состоящая из верхней и нижней наковален, связанных двумя параллельными штырями. Колонковая труба укреплена в верхней наковальни, а груз, соединенный тросом с ручной лебедкой на борту катера, свободно движется между наковальнями. Поршень подвешен на тросе к верхней траверсе. Ударами сбрасываемого или поднимаемого груза по верхней и нижней наковальне колонковая труба может либо погружаться на дно, либо извлекаться из скважины. Несмотря на простоту конструкции, низкую стоимость и удобство в эксплуатации, пробоотборники, использующие энергию грузов, поднимаемых с помощью троса, нашли применение лишь при бурении неглубоких скважин в мелководной зоне. Это объясняется сложностью их эксплуатации при больших глубинах моря и в условиях волнения, значительными затратами времени на бурение скважин и, главное, малой мощностью, не позволяющей отбирать образцы большого диаметра и длины из плотных осадочных отложений. В последствии были совершены попытки усовершенствования грузоударных пробоотборников с целью создания управления процессом отбора проб. Так была создана забивная трубка Ф.Варнея. Ее конструкция включала опорную плиту с центратором для прохода грунтоноса, соединенную при помощи тросов с поплавком, подвешивавшимся к основному судовому тросу и обеспечивавшим вертикальное положение пробоотборника на дне. Грунтонос соединялся с поплавком рабочей штангой, по которой свободно мог перемещаться ударный груз, сбрасываемый на наковальню. Подъем груза и его автоматическое сбрасывание осуществлялись при помощи подвижного захвата, опускаемого и поднимаемого двумя вспомогательными тросиками, пропущенными через ролики на поплавке. Раскрытие захвата происходит при его упоре во втулку, подвешенную на тросах в верхней части рабочей штанги.[3,c.128]

На сегодня прототипом механического забивного пробоотборника можно считать забивной грунтонос типоразмеров ГЗ-1 и ГЗ-2 для отбора монолитов соответственно диаметрами 94 и 110 мм. Он предназначен для отбора монолитов глинистых грунтов твердой, полутвердой и тугопрастичной консистенции.[2,c275]

Более перспективно применение в качестве рабочих механизмов забивных пробоотборников гидроударников и гидромолотов, использующих энергию напорной жидкости. Этому направлению уделялось недостаточное внимание и лишь в последние годы в некоторых странах были начаты предварительные исследования. В частности, работы по созданию пробоотборников с гидроударным механизмом с 1972г ведутся в Японии, где сконструирована опытная модель гидроударника, устанавливаемого по традиционной схеме - на верхнем конце грунтоноса. В процессе исследований японские ученые столкнулись с проблемой необходимости уменьшения гидравлических сопротивлений водоподводящей магистрали, значительно снижающих эффективность работы ударного механизма. С аналогичной проблемой столкнулись специалисты Лаборатории методики и техники морской геологоразведки ВНИИМОРГЕО при МГРИ им. С. Оржиникидзе при разработке отечественного ударно-забивного пробоотборника с гидроприводом. В результате трехлетних исследований Л.Н.Нейтроманом и В.В. Москвитиным была сконструирована установка КМО-3, позволяющая отбирать пробы длиной 4м и диаметром 100 мм из песчаных осадков средней плотности. Для обеспечения непосредственной передачи энергии удара на забой и смещения центра тяжести пробоотборника вниз кольцевой гидроударник специальной конструкции установлен прямо над режущим башмаком. Поскольку наружный диаметр гидроударника в два с лишним раза больше диаметра отбираемой колонки, он снабжен гидромониторной насадкой, обеспечивающей использование отработанной жидкости на размыв кольцевого призабойного пространства. Это в свою очередь позволило создать в скважине постоянную промывку, выносящую разрушенный грунт и резко снижающую как лобовое сопротивление породы внедрению грунтоноса, так и потери на трение о стенки скважины. В конечном итоге конструктивная схема позволила уменьшить затраты энергии на проходку скважины и упростить операцию по извлечению грунтоноса из дна. Поскольку в пробоотборнике отсутствует колонковая труба, грунт поступает в полиэтиленовый вкладыш, уложенный в специальной полости режущего башмака и вытягивающийся по мере углубки. Масса пробоотборника равна 350 кг.

Важным шагом в совершенствовании забивных снарядов стало создание устройств, в которых для увеличения проходки за удар используется гидростатическое давление столба воды в скважине. Для этой цели у гидропоршневого скважинного грунтоноса ГПС-127 керноприемная труба в верхней части снабжена полым штоком с перфорированным верхним концом, несущим поршень с клапаном. Перемещающийся поршень установлен в цилиндре и поджат к его нижнему переходнику пружиной. Верхний переходник обычным винтовым соединением связан с направляющим штоком ударной штанги, конструкция которой позволяет осуществлять удары, направленные как вниз, так и вверх. При ударе штанги вниз цилиндр смещается к забою, сжимая пружину, и наносит удар по керноприемной трубе. В результате движения цилиндра относительно поршня в подпоршневом пространстве создается разрежение, что приводит к возникновению добавочного гидростатического усилия, задавливающего трубу в осадки. Существенным моментом работы гидропоршневого стакана при создании разрежения в керноприемной трубе является возникновение восходящего потока воды, засасывающего в его полость частицы породы. При этом в самом грунте создается фильтрационный восходящий поток поровой воды, ослабляющий его под башмаком до состояний плывуна. Такой эффект снижает сопротивление грунта движению снаряда, повышая проходку за удар. После нанесения удара по торцу снаряда во время подъема ударной штанги срабатывает пружина, отжимающая цилиндр в крайнее верхнее положение, выдавливая воду из подпоршневой полости через клапан. Разновидностью грунтоноса ГПС-127 является гидростатический скважинный грунтонос ГС-127, предназначенный для бурения с отрывом от забоя. Он состоит из герметичного цилиндра 1, заполненного атмосферным воздухом, и съемного керноприемника, содержащего трубу 2, переходник 3, башмак 4, лепестковый кернодержатель 5, вкладыш 6, поршень-золотник 7 и обратный клапан 8 для стравливания воздуха из трубы при опускании грунтоноса на забой. Подсоединенный к ударной штанге грунтонос опускают в скважину. При его ударе о забой поршень-золотник 7 соединяет полости цилиндра 1 и трубы 2, создавая в последней разрежение. Труба внедряется в грунт под действием суммарного веса ударной штанги и гидростатического давления столба воды, заполняющей скважину. Жидкость из межтрубного пространства поступает в полость низкого давления, осуществляя обратную промывку скважины и ослабляя грунт в трубе и под башмаком. При подъеме грунтоноса поршень-золотник разъединяет полости цилиндра и трубы, способствуя отрыву пробы от забоя и надежному ее удержанию. К преимуществам устройств, реализующих кинетическую энергию поднимаемого на канате и сбрасываемого груза, следует отнести возможность регулирования в широком диапазоне параметров забивки: массы груза, высоты его подъема, частоты нанесения ударов. Несмотря на это, они нашли применение лишь при бурении неглубоких скважин в мелководной зоне морей. При эксплуатации на больших глубинах вертикальные перемещения плавоснования существенно усложняют работу ударного узла, негативно сказываются на условиях погружения керноприемника в грунт. Что в совокупности с малой ударной мощностью, которая определяется скоростью падения груза, не превышающей скорость сматывания каната с барабана лебедки, и трудоемкостью всего процесса пробоотбора делает мало возможным применение подобных устройств в инженерно-геологических целях при проходке глубоких скважин по технологии с использованием ССП.

Разработки и иссладования гидравлических пробоотборников в настоящее время активно проводятся и являются актуальными. Донецким национальным техническим университетом кафедрой технологии и техники геологоразведки месторождений полезных ископаемых было разработано немало моделей данной конструкции.

Принцип работы забивного пробоотборника показан на анимированной картинке.

Перечень решаемых в работе задач.

Совершенствуя имеющуюся модель забивного пробоотборника, задача моих исследований заключается в создании более эффективной ее работы. Учитывая предпочтения, сложность и условия геологоразведочных работ при отборе проб на шельфе, целью моей работы стало увеличение энергии удара пробоотборника для ускорения бурения и отбора керна большей длины. Добившись этого, отбор проб грунта на шельфе стал бы более эффективен и ускорен, т.к. при этом сократилось количество процедур необходимых для добычи качественного керна. За один удар пробоотборник будет внедряться на глубину, приблизительно в два раза превышающую при работе любым другим пробоотборником.

Запланированный объем работ.

Для достижения заданного был проведен тщательный анализ и обзор конструкций забивных пробоотборников для сухопутного и морского инженерно-геологического бурения скважин, составлена принципиальная схема забивного пробоотборника с увеличенной энергией удара, предусматривается теоретическое исследование работы забивного пробоотборника с увеличенной энергией удара, а именно математическое описание рабочего цикла устройства, прогнозирование энергетических параметроа пробоотборника для конкретных условий эксплуатации. В итоге будет разработана конструкция забивного пробоотборника с увеличенной энергией удара с описанием пробоотборника, его технической характеристикой, будет приведена технология отбора проб грунта разработанным устройством.

Литература

1. И.Г. Шелковников, А.В. Лукошков. Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. Ленинград, 1979.

2. Ребрик Б.М. Бурение инженерно-геологических скважин: справочник.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра. 1990.-336с.: ил.

3. Хворостовский С.С. Способы и технические средства для бурения скважин при разведке россыпных месторождений на шельфе. М.,1988

4. Хворостовский С.С., Асеев А.Г. Бурение разведочных скважин на шельфе.М.: Недра, 1988

5. Дудля М.А. Автоматизація процесів буріння свердловин: Підручник.-К.:Вища шк., 1996.- 256 с.:іл.

6. Винниченко В.М., Максименко Н.Н. Технология бурения геологоразведочных скважин: Справочник бурильщика.-М.:Недра, 1988, 149 с.: ил. Кратко приведена классификация горных пород по их свойствам. Описана технология бурения скважин различными способами в разных условиях.

7. Хмелевской В.К.Геофизические методы исследования.М.: Недра, 1988 - 396с.

8. Миронов К.В.Разведка и геологопрмышленная оценка.М.: Недра, 1998

13. Режабек Е.Я. Научный поиск.Его этапы.М.: Недра, 1982

9. Режабек Е.Я. Научный поиск.Его этапы.М.: Недра, 1982