автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии устройства водозаборных скважин на основе применения вибрационного метода

Ленинградский ордена Октябрьской революции

и ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт

На правах рукописи УДК 624.115.808, 628.112.83

ВЕРСТОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

кандидат технических паук, старший научный сотрудник

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВИБРАЦИОННОГО МЕТОДА

05.23.08 — технология и организация промышленного

и гражданского строительства; 05.23.04 — водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов.

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических, наук в виде научного доклада, основанного на изобретениях

ЛЕНИНГРАД 1990

' Ь , /

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидромеханизации, санитарно-технических и специальных строительных работ (ВНИИГС) Минмонтаж-спецстроя СССР.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки КАССР, доктор технических наук, профессор Р. И. Аюкаев.

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Б. В. Гончаров.

Доктор технических наук, профессор О. А. Савинов.

Ведущая организация — Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИВОДГЕО) Госстроя СССР.

Защита состоится «б » декабря 1990 г., в 16 час. на заседании специализированного Совета Д 063.31.05 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Ленинградском ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте, 198005, Ленинград, 2-я Красноармейская ул., д. 4, ауд. 607С.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского инженерно-строительного института.

Научный доклад разослан «Д.В » октября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного Совета,

доктор технических наук, профессор У/ А. П. Пожнин

мгжгз?

ОТЕКА

> гки

!рТ 1ЦИЙ

Актуальность работы. Совершенствование технологии производства работ, связанных с отбором подземных вод, имеет большое народнохозяйственное значение, так как в нашей стране в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения подземные воды составляют около 70%, кроме того, при строительстве различных объектов значительны объемы работ по глубинному водопонижению. Основным средством отбора подземных вод являются скважины. Ежегодно п СССР устраивают около 40 тыс. водозаборных скважин, при этом расходуется более 400 млн. руб. В течение года из строя действующих выходит до 20 тыс. водозаборных скважин.

Для уменьшения затрат в области водоснабжения из подземных источников, а также осушения и дренажа объектов строительства следует в интересах народного хозяйства страны повысить технико-экономические показатели комплекса технологических операций и технических средств, используемых на протяжении всего цикла существования водозаборных скважин от сооружения до ликвидации.

В диссертации научно обосновано решение поставленной задачи использованием физических явлений, свойственных вибрационному методу, который позволяет не только интенсифицировать процессы, связанные с сооружением, регенерацией и ликвидацией скважин, но и в ряде случаев получить новый качественный результат и более высокий технический уровень производства работ. На основе созданных автором изобретений и выполненных исследований разработаны новые вибрационные технологии и необходимые технические средства.

Цель работы. Создание на основе применения вибрационного метода новых эффективных технологий, машин и оборудования, обеспечивающих:

— сокращение сроков сооружения скважин за счет уменьшения затрат времени на их обустройство обсадными трубами н фильтрами, а также увеличения скорости проходки скважин;

— уменьшение металлоемкости конструкций скважин за счет повышения выхода обсадных труб в породу при их погружении, создания возможности эффективного извлечения

труб при обнажении фильтров, расширения применения труб из полимерных материалов;

— повышение производительности скважин при их освоении после окончания бурения и регенерации в ходе эксплуатации за счет достижения эффективности работ по восстановлению проницаемости фильтров и прифильтровых зон;

— сокращение трудозатрат при освоении и регенерации скважин за счет комплексной механизации основных и вспомогательных операций;

— возврат для повторного использования обсадных труб и исключение возможности загрязнения подземных вод за счет эффективного извлечения труб с одновременным тампонированием ствола при ликвидации вышедших из эксплуатации скважин.

Общая методика исследований:

— теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях предложенных способов и устройств с целью установления особенностей протекания вибрационных процессов в различных технологических операциях по сооружению, регенерации и ликвидации скважин;

— теоретические и экспериментальные обоснования параметров разработанных вибрационных технологий и технических средств.

Научная новизна:

— определены виды работ по сооружению, регенерации и ликвидации скважин, для которых вибрационная технология наиболее целесообразна;

— установлена сравнительная эффективность различных видов вибрационных и ударно-вибрационных воздействий при погружении и извлечении обсадных труб, посадке фильтровых колонн, а также погружении труб из полимерных материалов в процессе сооружения скважин;

— определены рациональные области применения вибрационного метода для повышения скорости проходки связных пластичных и крепких пород, обоснован усталостный характер разрушения крепких пород при ударно-вибрационном воздействии ударника в процессе ударно-канатного бурения; найдены оптимальные параметры процесса вибрационного опорожнения клапанных желонок от грунта;

— установлены закономерности изменения гидродинамического давления в стволе скважины, фильтре и прифильт-ровой зоне при возбуждении колебаний воды вибрирующим рабочим органом в процессе освоения .и регенерации скважин; выявлены оптимальные параметры вибрационных рабочих органов и специализированных самоходных агрегатов; определена степень изменения фильтрационных характери-

стик песка прифильтровой зоны при вибрационном гидродинамическом воздействии; установлена зависимость кинетики растворения кольматирующих соединений от вибрационных параметров в ходе виброреагентной регенерации скважин;

— определены рациональные технологические схемы и параметры ликвидации бездействующих скважин по вибрационной технологии с извлечением обсадных труб и одновременным тампонированием; обоснованы оптимальные решении по ликвидации бездействующих скважин разработанными комплектами вибрационного и грузоподъемного оборудования.

Практическая ценность и реализация работы. На основе выполненных исследований предложены, разработаны и организациями Минмонтажспецстроя СССР и других ведомств в разных регионах страны внедрены следующие технические решения:

— вибрационная технология, вибрационные и ударно-вибрационные машины для погружения и извлечения обсадных груб и посадки труб с башмаком-расширителем при устройстве гравийно-проволочных фильтров в процессе сооружения скважин ударно-канатным способом, позволившие повысить скорость погружения и извлечения труб в 2 раза и более, уменьшить металлоемкость конструкции скважин на 30— 40%, повысить надежность работы гравийно-проволочных фильтров;

— ударно-вибрационные буровые снаряды и желонки для разработки крепких и связных пластичных пород и технология их использования при ударно-канатном бурении, которые дали возможность увеличить скорость проходки в 1,5— 3 раза;

— вибрационный способ и оборудование для опорожнения клапанных желонок от грунта при бурении скважин, позволившие улучшить условия техники безопасности и уменьшить затраты времени на разгрузку в 1,5—2 раза;

— технология и комплекс технических средств для вибрационной гидродинамической обработки фильтров и при-фильтровых зон при освоении вновь пробуренных и регенерации эксплуатирующихся скважин, обеспечивающие высокую степень восстановления проницаемости фильтров и при-фильтровых зон при сокращении продолжительности освоения скважин в 2—4 раза, повышение эффективности регенерации скважин;

— вибрационная технология ликвидации бездействующих скважин с извлечением обсадных труб и одновременным тампонированием ствола, позволяющая возвращать для повторного использования трубы и избежать загрязнения подземных вод.

Производство работ по созданным на основе изобретений и исследований автора вибрационным технологиям регламентировано 5 нормативными документами, предусматривающими использование новых вибрационных машин, прошедших приемочные испытания и изготавливаемых по техническим условиям, зарегистрированным в Госстандарте СССР.

Внедрение в практику сооружения, регенерации и ликвидации водозаборных скважин разработанных вибрационных способов и технических средств обеспечивает существенное ускорение производства работ, снижение трудозатрат и материалов.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 1 монографии, 2 брошюрах и 104 статьях. По теме диссертации получено 65 авторских свидетельств на изобретения.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Вибрационная техника, Москва, 1965; XXV и XXVI, ЛИСИ, Ленинград, 1967, 1968; Вибрационные машины производственного назначения, Москва, 1971; Технический прогресс при строительстве скважин на воду, Москва, 1974; Новое вибрационное оборудование и технология для специальных строительных работ, Киев, 1975; Эффективность и качество сооружения водозаборных скважин, Новосибирск, 1977; Пути совершенствования строительства и эксплуатации объектов сельскохозяйственного водоснабжения, Челябинск, 1977; Пути повышения эффективности сооружения водозаборных скважин, Новосибирск, 1982; Техническое обслуживание н реконструкция водозаборов подземных вод, Москва, 1983; Вибрационные машины технологического назначения, Москва, 1984; Буровые работы, Магдебург, ГДР, 1986; Научно-технический прогресс в технологии и технике бурения скважин на воду, Москва, 1988.

Диссертация рассмотрена Государственным Комитетом по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР, в результате автору выдано ходатайство в специализированный Совет о защите диссертации в виде научного доклада, основанного на изобретениях.

Разработанные вибрационные технологии и оборудование экспонировались на ВДНХ СССР, где автор награжден одной золотой, четырьмя серебряными и четырьмя бронзовыми медалями.

Обоснование выбранного направления исследований и разработок. Вопросам совершенствования техники и технологии сооружения и регенерации водозаборных скважин посвящены работы С. К- Абрамова, В. С. Алексеева, Д. Н. Баш-катова, В. М. Белякова, Н. Н. Веригина, Г. А. Волоховского, Э. М. Вольницкой, В. М. Гаврилко, В. Т. Гребенникова,

A. И. Деревянных, С. Л. Драхлиса, В. М. Касаткина, Г. П. Квашнина, Г. М. Коммунара, М. Г. Оноприенко,

B. А. Романенко, С. С. Сулакшина, Я. С. Суреньянца, В. П. Ткаченко, А. Д. Гуриновича, А. Б. Мещанского и других.

Наибольший народнохозяйственный эффект может быть достигнут при комплексном подходе к проблеме совершенствования и создания новой техники и технологии, применяемых на разных стадиях цикла сооружение — регенерация— ликвидация водозаборных скважин. Основой такого подхода может служить рациональное использование вибрационного метода.

Разработка теории и технических средств применения вибрирования при устройстве скважин нашла отражение в трудах Д. Д. Баркана, И. И. Блехмана, А. С. Головачева, Л. В. Ерофеева, М. Г. Ефремова, А. 3. Лейтгольда, М. Н. Климентова, П. Ф. Пальянова, Б. М. Ребрика, О. А. Савинова, М. Г. Цейтлина, Ф. А. Шамшева, A.M. Яковлева и других.

Проблемы вибрационной очистки сеток фильтров водоснабжения, а также создания вибрационных средств для подъема воды из скважин рассмотрены в работах А. Д. Дороховой, Ю. М. Кузьмина, М. Г. Нураева, И. Т. Позднякова, Э. Б. Чекалюка, В. М. Усаковского и других.

На основе анализа имеющихся данных автором были сформулированы задачи, которые необходимо решать в процессе совершенствования применением вибрационного метода технологии устройства и эксплуатации водозаборных скважин [1, 14, 17].

При сооружении скважин: уменьшать металлоемкость конструкций скважин, устраиваемых ударно-канатным способом; повышать эффективность работ по обнажению фильтров и ликвидации прихвата труб; интенсифицировать бурение крепких и связных пластичных пород; ускорять разгрузку клапанных желонок и улучшать при этом условия техники безопасности.

При освоении скважин: сокращать время освоения скважин вращательного бурения; обеспечивать естественную проницаемость водоносного пласта в прифильтровой зоне и формирование гравийной засыпки с высокими фильтрационными параметрами.

При регенерации скважин: обеспечивать качественное восстановление проницаемости закольматированного фильтра и прифильтровой зоны; создать возможность извлечения вышедших из строя фильтров; увеличивать межремонтный период скважин; снижать трудозатраты и повышать производительность ремонтных работ.

При ликвидации скважин: обеспечить техническую возможность извлечения с целью повторного использования обсадных труб из бездействующих скважин и качественного их тампонирования.

Решение перечисленных задач сводится к необходимости интенсифицировать следующие процессы: преодоление сил трения (сцепления) между поверхностью трубы и грунтом; разрушение и разработку крепких и связных пород; удаление глинистых частиц из пор водоносной породы и разрушение связей между этими частицами; растворение реагентами химических образований, кольматирующих фильтр и при-фильтровую зону; укладку сыпучего материала при формировании в зоне водоносного пласта песчано-гравийного фильтра; перемещение грунта и тампонажных материалов.

Возможность повышения эффективности протекания указанных процессов вибрационным методом объясняется следующими факторами, являющимися основой выполнения определенных технологических операций:

— под действием вибрирования уменьшаются силы трения между поверхностью трубы и грунтом, а также между частицами самого грунта (погружение и извлечение труб и грунтозаборников, погружение фильтров с башмаком-расширителем, извлечение вышедших из строя фильтров, ликвидация прихвата труб);

— динамическая прочность крепких пород меньше статической, при циклическом ударно-вибрационном нагружении проявляются усталостные свойства пород и повышается эффективность их разрушения (разработка крепких пород);

— при колебаниях рабочего органа в жидкости он становится источником гидродинамического давления (разгли-низация скважин вибрационным способом, формирование песчано-гравийного фильтра);

— вибрирование реагента ускоряет реакцию растворения химических веществ, разрушает структурные связи химических соединений, улучшает условия массообмена на контакте реагент — вещество (восстановление производительности скважин, закольмагированных осадками химического происхождения, комбинированным виброреагентным способом);

— при колебаниях в жидкости трубы с обратным клапаном обеспечивается перемещение жидкости (подъем из скважин воды в период их освоения или ремонта, нагнетание химических реагентов за контур фильтра);

— при вибрировании грунта на наклонной плоскости обеспечивается его транспортирование (перемещение тампонажных материалов, разгрузка от грунта клапанных желонок).

Краткое изложение результатов выполненных исследований и разработок состоит в следующем.

Вибрационная технология обустройства водозаборных скважин обсадными трубами и фильтрами в ходе их сооружения ударно-канатным способом. При бурении в интервалах плотных, вязких н пластичных пород производят погружение труб забивным снарядом. Его малая погружающая способность и отсутствие падежных средств иззвлечения труб при обнажении фильтров приводят к тому, что при ударно-канатном бурении прибегают к многоколонным конструкциям скважин, что увеличивает расход труб и затягивает сроки работ.

Использование вибрационного метода дает возможность увеличить выход труб в породу, производить опережающую обсадку стенок скважин в водонасыщенных породах, осуществлять в процессе обнажения фильтров извлечение труб малыми статическими силами.

Существующие вибромашины не получили распространения в практике ударно-канатного бурения. Анализ показал, что повышение скорости погружения труб этими машинами не компенсирует затрат времени на вспомогательные операции и, кроме того, производительность бурения снижается из-за частых съемов вибромеханизма с трубы для чистки забоя желонкой, так как вследствие недостаточной погружающей способности посадка трубы па всю свободную высоту за один прием невозможна.

Автором показано, что вибромеханизм для погружения и извлечения обсадных труб при ударно-канатном бурении должен удовлетворять следующим условиям: погружающая и извлекающая способность должна быть высокой как в слабых, так и в плотных породах; режим работы должен создавать такие условия для прохождения породы в полости трубы, чтобы обеспечить минимальное количество переходов с посадки на чистку забоя желонкой; захватное устройство должно быть быстродействующим, позволяющим сократить время на вспомогательные операции, а выполняемые на высоте исключить ■[ 14, 15, 17],

С целью выявления рационального типа такого механизма' проведено исследование эффективности вибрационного и ударно-вибрационного погружения труб в различных грунтовых условиях, а также сравнение ударно-вибрационных режимов [1, 6].

Эффективность различных воздействий оценивалась по глубине и скорости погружения, высоте грунтовой пробки и потребляемой мощности. Сравнение показало, что при погружении в водонасыщенные супеси с одинаковыми скоро-

стями мощность, потребляемая при вибрационном режиме, в 1,5—2 раза меньше, чем при ударно-вибрационном; при погружении в слабовлажные пески и суглинки погружающая способность вибромолотов выше, чем у вибраторов, для посадки на одинаковую глубину при вибрационном режиме мощность в 1,5—2 раза больше, чем при ударно-вибрационном; продвижение грунта в полости трубы при ударно-вибрационном погружении происходит более интенсивно, чем при вибрационном. При сравнении схем ударно-вибрационного погружения установлено, что погружающая способность свободного пружинного вибромолота выше, чем у беспружинного, а область устойчивой работы шире.

На основе результатов исследований разработаны, а трестами Промбурвод и Союзшахтоосушение внедрены в практику устройства скважин свободные пружинные вибромолоты БВС-1 и БВС-1М, отличие которых от вибромашин аналогичного назначения состоит в том, что они не требуют жесткого крепления на забиваемой трубе и обладают высокой погружающей способностью за счет эффективного использования энергии ударов и статического вдавливания трубы натяжением пружин в процессе забивки. В вибромолоте обеспечивается перенастройка его работы с режима ударно-вибрационной посадки на вибрационное извлечение труб при обнажении фильтров [1, 5, 15, 16, 29, 43].

Исследование работы новых машин в производственных условиях показало, что при погружении труб 0 273—630 мм через слои водонасыщенных песчаных и связных глинистых пород обеспечивается скорость 0,5—2,0 м/мин. Чистка забоя желонкой требуется через каждые 4—11 м, мощность на привод вибромолота лежит в пределах 20—50 кВт. Величина выхода труб в породы составляет 50—60 м для режима ударно-вибрационной забивки с натяжением пружин и около 20 м для свободного беспружинного вибромолота. Рациональным является режим с частотой колебаний 10 Гц, при меньшей частоте снижается эффективность погружения, а при большей — мощность, потребляемая приводом молота, достигает неприемлемых для условий производства работ величин [23].

На рис. 1 представлены графики изменения скорости погружения V и мощности N при постоянной силе сжатия пружин 5 в зависимости от высоты грунтовой пробки а в промежутке между двумя желонированиями. Видно, что при увеличении о существенно уменьшается и и возрастает /V. В этих условиях режим работы характеризовался отношением

•амплитудное зна-

где <3— сила тяжести вибромолота; Р0-чение возмущающей силы.

По мере погружения трубы с предварительной чисткой забоя желонкой, сопровождающегося увеличением выхода труб в породы, силу 5 регулируют от 0 до 80 кН (на первых этапах вибромолот работает в режиме свободного беспружинного молота), при этом ((2-\-8)/Р0 изменяется от 0,24 до 1,0. Графики (рис. 2) отражают зависимость скорости V

0,8

0,8

в,г

Н,кВт

\ 1

■го *

0,25

¥,к8т $О

__

<

N .

Ч N.

8 а,*

Рис. 1. Изменение скорости погружения труб и мощности вибромолота ири постоянной силе сжатия пружин в зависимости от высоты грунтовой пробки

О Ю 20 3О 40 50 60 8, кН

10

го зо чо ь.,ч

Рис. 2. Изменение скорости погружения труб и мощности вибромолота в зависимости от выхода труб и силы сжатия пружин

н мощности N от величины выхода колонны в породы /г и усилия 5, когда сила защемления трубы невелика. Для этого случая увеличение 5 по мере заглубления трубы является необходимым условием эффективного погружения и обеспечения устойчивой работы вибромолота в режиме удар за оборот. Картина погружения изменяется при значительной силе защемления. В таких условиях беспружииный вибромолот не обеспечивает посадки трубы, а эффективный режим работы пружинного вибромолота характеризуется

(д + 5)/Ро = 0,8.

При обнажении фильтров виброизвлечение труб 0 219— 426 мм с глубины 130 м с выходом в породы 30—40 м обеспечивается вибромеханизмом БВС-1 усилием, не превышающим 170 кН, скорость выдергивания составляет 0,2— 1,0 м/мин при мощности 16—20 кВт. Для успешного извлечения амплитуда колебаний трубы в начальный период не должна быть меньше 4—5 мм при частоте 10—13 Гц.

Анализ опыта внедрения вибромолотов типа ВВС показал, что они отвечают технологическим особенностям устройства скважин, позволяют увеличить скорость погружения труб в 2 раза и более, уменьшить металлоемкость скважин на 30—40%, сократить количество переходов от желониро-вания на погружение в 3 раза, уменьшить величину усилий

дЛй извлечения труб и увеличить скорость их подъема в 2—4 раза.

В случае, если водосодержащие породы представлены песками, в скважинах целесообразно устанавливать проволочные фильтры с гравийной обсыпкой, улучшающей фильтрационные характеристики прифильтровой зоны. Для устройства такой водоприемной части при ударно-канатном бурении используют фильтры, нижний торец которых оборудуют башмаком-расширителем. Разработку грунта желонкой производят с посадкой фильтровой трубы и засыпкой гравия. Трубы, как правило, задавливают усилием до 100 кН. Недостаток этой технологии состоит в том, что при проходке плотных прослоек породы не обеспечивается требуемая скорость погружения фильтров, что в ряде случаев вызывает их прихват.

Эти осложнения устраняются, если для погружения фильтровой трубы применять разработанную вибрационную технологию. Исследования показали, что вибромашины такого назначения должны иметь проходное отверстие и работать в вибрационном режиме. Вибрационное воздействие не нарушает конструктивных элементов фильтра и эффективно в водонасыщенных песках как по преодолению сил сопротивления, так и по потребляемой мощности. Вибрирование, кроме ускорения посадки трубы, улучшает условия формирования фильтра за счет уменьшения расслоения гравия, исключения возможности его зависания и уширения контура засыпки, что повышает производительность и долговечность скважин [1, 14—17, 29].

Анализ опыта использования созданных вибраторов типа ВПФ показывает, что вибрационная технология посадки фильтров с башмаком-расширителем обеспечивает высокую скорость', позволяет эффективно преодолевать плотные прослойки грунта и погружать фильтр в водоносный пласт на всю высоту рабочей части с заглублением башмака в водо-упор.

В водонасыщенных песках без чистки ствола вибропогружение фильтра за один цикл возможно на 8—10 м со скоростью 1 м/мин. На посадку фильтровой колонны 0 273— 325 мм с башмаком-расширетелем в интервал 40—60 м с выполнением операций по созданию водоприемной части затрачивается 1—1,5 смены. При этом параметры вибратора следующие: частота колебаний 13,3 Гц; амплитуда на начальных стадиях погружения 6—8 мм, а на конечных 2— 3 мм. Применение вибрационной технологии для устройства гравийно-проволочных фильтров с башмаком-расширителем позволяет уверенно использовать эту прогрессивную конструкцию водоприемной части скважин.

Дефицит стальных груб, задача снижения металлоемкости конструкций скважин и повышения срока их службы вызвали необходимость изыскивать возможность применения труб из полимеров для обустройства скважин. В этой области из комплекса технологических задач остается нерешенной задача крепления скважин полимерными трубами в неустойчивых породах, когда требуется принудительное погружение труб в грунт [35].

Оценка возможности такого погружения динамическими средствами возможна по данным изучения напряженно-деформированного состояния труб. Проведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния труб из полиэтилена низкого давления (ПНД), поливинил-хлорида (ПВХ) и стальных при различных видах воздействия в ходе их погружения в грунт: вибрационном, ударно-вибрационном и ударном [34].

Изучение осциллограмм показало, что при вибрационных воздействиях сдвиг фазы между вынуждающей силой и перемещением вибровозбудителя близок к нулю. Это позволило заключить, что колебания системы вибровозбудитель — труба осуществляются в зоне до резонанса, а затухание в колебательной системе не является существенным. При обработке экспериментальных данных определяли потери энергии в материале при упругих колебаниях для труб из ПНД, ПВХ п стали. Наибольшее внимание было уделено опытам, в которых трубы имели жесткое закрепление нижнего конца, что соответствует наиболее тяжелым условиям, возникающим на конечной стадии погружения. Коэффициент поглощения вычисляли по величине логарифмического декремента затухания, который находили при обработке осциллограмм свободных колебаний вибратора и трубы. Установлено, что по характеристикам внутреннего рассеяния энергии трубы из ПНД и ПВХ обладают худшими свойствами по сравнению со стальными — потери в трубах из ПВХ в 2 раза, а в полиэтиленовых в 2,3 раза выше, чем в стальных.

На рис. 3 показаны графики интенсивности затухания внутренних напряжений во времени для труб при их вибрировании в режиме свободных колебаний, обусловленных упругостью материала. Значения напряжений охарактеризованы размахом их колебаний 2А, время определено как отношение текущей координаты I к периоду колебаний Т. Наиболее интенсивно процесс затухания происходит в трубах из ПНД.

Изучались изменения напряжений о и абсолютных деформаций А/ по длине труб Ь при вибрационном режиме для случая жесткого закрепления их нижнего конца. Установлено, что напряжения в материале полимерной трубы

возрастают от свободного конца к защемленному (рис. 4). Что касается деформаций, то они незначительно убывают также в этом направлении. Для стальной трубы аналогичной длины подобная зависимость явно не выражена.

Сравнение расчетных значений напряжений в материале полимерных труб при динамических воздействиях с экспериментальными показало, что для жесткого закрепления конца расчетные данные практически совпадают с экспериментальными для наиболее нагруженных сечений труб.

¿5 30

20

1

р

«ч ~2Г 2

6

-ч £

1

0 12 3 4 ИТ

Ь 6

Рис. 3. Интенсивность затухания напряжений в трубах из различных материалов при свободных колебаниях:

/—сталь; 2 —ПБХ; 3 — ПНД

0,2 й1, им

Рис. 4. Изменение напряжений и абсолютных деформаций по длине полимерных труб при вибрационной

нагрузке: I, 2 — напряжения в трубе соответственно из ПНД и ПБХ; 3, 4 — деформации в трубе соответственно из ПВХ и ПНД

На основе данных исследований сделаны следующие выводы: механическая прочность труб из ПНД и ПВХ достаточна для восприятия динамических воздействий, свойственных вибраторам типа ВПФ; по степени увеличения напряжений растяжения — сжатия, вызываемых в полимерных трубах динамическими воздействиями, последние располагаются в такой последовательности: вибрационное, ударно-вибрационное, ударное; трубы из ПВХ по сравнению с трубами из ПНД по механической прочности и потерям энергии на внутреннее рассеяние являются более пригодными для вибрационного погружения.

Исследованиями вибрационной технологии обустройства скважин обсадными трубами и фильтрами установлено, что для различных конструктивных элементов скважин рационален определенный вид динамического воздействия (табл. 1).

Интенсификация ударно-канатного бурения водозаборных скважин ударно-вибрационными воздействиями. При ударно-канатном способе разрушение крепких пород происходит при свободных ударах лезвия долота по забою. Динамиче-

Таблица I

Конструктивный элемент скважины

Рациональное динамическое воздействие

Кондукторная труба

Обсадная колонна труб

Промежуточная колонна труб

Фильтр с башмаком-расширителем, полимерные трубы

Ударно-вибрационное погружение в режиме свободного беспружинного вибромолота

Ударно-вибрационное погружение пружинным вибромолотом с вдавливанием

При погружении — ударно-вибра-цнонноо с вдавливанием; при извлечении — вибрационное

Вибрационное погружение

екая прочность крепких пород в несколько раз меньше статической. Малая скорость ударно-канатного бурения объясняется недостаточной частотой динамического нагружения забоя (1 Гц). Без увеличения массы снаряда скорость бурения крепких пород может быть повышена за счет увеличения частоты ударов долота.

Автором предложен буровой снаряд, способный генерировать и передавать забою в пределах одного цикла работы, кроме основной, и дополнительные динамические нагрузки, при которых проявляются усталостные свойства крепкой породы и сокращается время на ее разрушение. В решении снаряда использована двухмассная система, при работе которой выведенный при сбросе снаряда из состояния равновесия подпружиненный ударник совершает свободные колебания, а при ударе долота по забою работает в ударно-вибрационном режиме и наносят удары по ограничителям корпуса. Исследования позволили выявить особенности взаимодействия забоя с долотом снаряда нового типа, выбрать оптимальные технологические режимы его работы, определить рациональную область применения и составить методику расчета параметров [1, 14, 17, 33].

Теоретическими исследованиями движения системы снаряд— шлам в скважине—порода установлено, что заглубление долота в породу за один сброс снаряда нелинейно зависит от соотношения масс ударника и корпуса при неизменной общей массе. Максимальная величина заглубления х (рис. 5) при увеличении коэффициента восстановления скорости соударения ударника и ограничителя Я возрастает и смещается в сторону больших значений отношений масс Для обычного снаряда в сравнимых условиях работы «=0,86,

поэтому использование нового снаряда эффективно при /?> >0,2.

По мере увеличения сопротивления породы одноосному сжатию, что пропорционально увеличению крепости породы, заглубление долота за один сброс снаряда уменьшается. Эта закономерность для ударно-вибрационного снаряда соответствует кривой для обычного снаряда, однако значения заглублений для нового выше.

На рис. 6 показаны области технологических параметров— плотности шлама у и высоты сброса снаряда Н, при

х

Рис. 5. Зависимость" заглубления долота от соотношения масс ударника и корпуса при неизменной суммарной массе и различных коэффициентах восстановления скорости при ударе ударника об ограничитель

5 А 8

Рис. 6. Области существования технологических параметров ударно-канатного бурения при использовании ударно-вибрационного снаряда

которых происходит заглубление долота в породу. Линия А—А соответствует максимальному значению заглубления при различных у и Н. Кривая Б—Б определяет у и Н, при которых ударные взаимодействия ударника и корпуса заканчиваются до начала подъема снаряда механизмом станка. Линия В—В соответствует у и Н, при которых подъем снаряда осуществляется раньше, чем долото достигнет забоя. Зона, ограниченная А—А и Б—Б, является зоной с максимальным заглублением долота в породу. Зона левее Б—Б соответствует работе снаряда с пониженным заглублением. Область между А—А и В—В характеризуется резким снижением заглубления долота, так как ударник не успевает полностью передать долоту энергию, накопленную им при падении снаряда. При значениях у и Я, расположенных пра-

вее В—В, подъем снаряда начинается раньше, чем долого достигает забоя, и его энергия расходуется неполезно.

Экспериментальные исследования подтвердили теоретические выводы о зависимости заглубления долота в породу от соотношения масс ударника и корпуса и показали, что уменьшение этого соотношения приподиг к возрастанию удельной работы, затрачиваемой на разрушение забоя, минимальное значение этой работы достигается при значении 1—1,6. При теоретических исследованиях максимальное заглубление х для снаряда с — 0,3 получено при §=1,75 (см. рис. 5).

На основании полученных результатов разработаны, а трестом Промбурвод и ПСО Востокбурвод внедрены два типоразмера буровых снарядов ВС-1 и ВС-2, использование которых при сооружении скважин повышает скорость проходки известняков, мергелей, песчаников и твердых глин в 1,5— 3 раза и исключает случаи прихвата долота породой [29, 42, 43]. " ■

Что касается связных пород, представленных глинистыми грунтами, то при ударно-канатном бурении их проходка ведется малоэффективным для этого случая инструментом — желонками или попеременной работой долота и желонки.

Один из путей повышения скорости разработки связных пород состоит в применении виброгрейферов. Однако эти высокопроизводительные машины из-за трудностей их обеспечения электропитанием на забое не могут быть использованы при устройстве водозаборных скважин. Предложен виброгрейфер нового типа — ударно-вибрационная желонка с раскрывающимся грунтозаборником, приводом которой служит трос бурового станка, колеблющийся с частотой 1 Гц и размахом 0,5—1,0 м [1, 32].

Анализ кривых усилия в тросе (рис. 7), полученных в экспериментальных исследованиях, показал, что в пределах периода колебаний изменение приводного усилия Р носит импульсный характер. Период колебаний приводного штока Г имеет две фазы, первая из которых соответствует ходу вверх (равна 0,4Т), а вторая /2 — ходу вниз (О.бТ1). Первая фаза — фаза рабочего хода — разделяется на составляющие: ¿з=0,15Г — усилие в тросе возрастает до максимума, происходит разгон дебалансов, и вибровозбудитель совершает удары; ¿4 = 0,25Г — усилие, скачкообразно падает до нуля, колебания вибровозбудителя затухают.

При оценке эффективности ударно-вибрационного погружения установлено, что вибровозбудитель желонки наносит по наковальне 3—6 ударов за один ход троса, наибольшая скорость погружения грунтозаборника достигается при работе вибровозбудителя в режиме пружинного вибромолота с (($-{• 3)/Р0=0,4^-0,5 при удельном давлении на грунт р —

= 70-^-85 Н/см2. Скорость погружения грунтозаборника у определяется не только значением р, но и величиной подскоков корпуса желонки А, причем уменьшение А сопровождается увеличением V (рис. 8).

Последнее совпадает с теоретическими исследованиями, которыми установлено, что при максимально возможном статическом моменте массы дебалансов, определяемом из условия необходимых диаметра и высоты желонки, эффективность

30

то~ к"' ^____Iй

Ч-А_ДИХ

. ь--и го зб 52 ■ ев р,н/м!

Рис. 7. Изменение приводного усилия в Рис. 8. Зависимость скоро-тросе при работе ударно-вибрационной сти ударно-вибрационного желонки: погружения грунтозаборни-

/ — начальный цикл работы; 2 — установившийся ка ОТ удеЛЬНОГО Давления режим на грунт (/) и подскока

корпуса (2)

погружения грунтозаборника возрастает при увеличении частоты вращения дебалансов только при одновременном росте массы корпуса тК и уменьшении его подскоков А (рис. 9).

60 % 40 ^ 20

?т зоо ш

т, ,кг

Рис. 9. Зависимость подскока корпуса от его массы при работе ударно-вибрационной желонки:

/ — эксперимент; 2 — расчет

Результаты исследований позволили разработать и внедрить в производство ударно-вибрационные желонки В)К-1 и ВЖ-2. При бурении суглиников, мягко- и тугопластичных глин обычным способом обеспечивается скорость 1,5—2,5 м/ч, использование желонки ВЖ-1 увеличивает производительность до 3—3,5 м/ч. При проходке твердых и полутвердых глин в сухих -скважинах хорошие результаты дает желонка ВЖ-2, вибровозбудителем которой служит ударно-вибрационный

2 [

1

—'

снаряд ВС-1. ВЖ-2 позволяет довести проходку от 0,5—2 до 2—3 м/ч за счет отказа от попеременной работы на забое долота и обычной желонки [18, 43].

Интенсификация ударно-канатного бурения скважин может идти также и за счет совершенствования вспомогательных операций, которые выполняются еще на низком техническом уровне. К ним относится освобождение клапанных желонок от выбуренного грунта, которое производят их переворачиванием. Предложен вибрационный способ разгрузки, при котором желонку разгружают без переворачивания опусканием ее клапана на вибрирующий стержень. Эффективность вибрационной разгрузки исследовалась в лабораторных и производственных условиях. Установлено, что вибрационный способ ускоряет освобождение желонок от выбуренного грунта в 2—3 раза при снижении трудозатрат и улучшении условий техники безопасности; время вибрационной разгрузки желонок уменьшается при увеличении степени насыщения грунта водой, с увеличением диаметра желонки, с повышением амплитуды колебаний, а также при переходе с вибрационного режима работы на ударно-вибрационный. На основе полученных данных создана и внедрена в производство вибрационная разгрузочная установка ВУРЖ [35, 36, 43].

Вибрационная технология освоения и регенерации водозаборных скважин. При восстановлении проницаемости водоприемной части скважин и их прифильтровых зон, закольма-тированных в процессе бурения глинистым раствором или в ходе эксплуатации химическими соединениями, значительный эффект достигается от применения разработанного под руководством и при непосредственном участии автора вибрационного способа. Этот способ технологичен, позволяет регулировать продолжительность и интенсивность гидродинамической обработки, дает возможность совмещать динамическое и химическое воздействие на кольмагант, обеспечивает нагнетание реагента за контур фильтра и его циркуляцию в зоне обработки, а также при необходимости и откачку скважин [1, 12, 13, 20, 22, 25, 40, 41].

Интенсивность разрушения глинистой корки и скорость растворения кольматирующих соединений определяется гидродинамическим давлением, возбуждаемым в воде вибрирующим рабочим органом. Исследования показали (рис. 10), что при фиксированной частоте колебаний рабочего органа амплитуда давления линейно зависит от амплитуды его колебаний, при неизменной амплитуде колебаний рабочего органа зависимость амплитуды давления от частоты носит характер резонансной кривой, при постоянных значениях амплитуды и частоты колебаний давление возрастает с умень-

2—703

17

шепнем радиального зазора между рабочим органом й трубой. В процессе разрушения кольматирующих соединений и увеличения проницаемости фильтра и прифильтровой зоны давление потепенно уменьшается, при фиксированных параметрах колебаний рабочего органа минимальное значение амплитуды давления соответствует моменту восстановления проницаемости. Амплитуда гидродинамического давления, определяющая нижний предел эффективного протекания процесса при минимальных затратах энергии, составляет 0,02—0,03 МПа при частоте не менее 8,3 Гц [8, 9, 21].

Экспериментально изучены гидродинамические процессы, которые имеют место в надфильтровых трубах, фильтре и в во-донасыщенном песке прифильтровой зоны радиусом 1,2 м при возбуждении давления вибрационными рабочими органами различного исполнения. Установлено, что при возбуждении давления одним диском, размещенным над фильтром, амплитуда давления уменьшается в направлении сверху вниз по стволу скважины, а в песке прифильтровой зоны по радиусу от оси скажины; из однодисковых рабочих органов наибольшие амплитуды давления обеспечивают рабочие органы в виде поршня и усеченного конуса с кумулятивной полостью, причем рабочий орган в виде конуса за счет большого значения радиального зазора обладает простотой спуска в скважину; преимущество многодискового рабочего органа, размещаемого в зоне фильтра, по сравнению с однодисковыми разных исполнений состоит в том, что он обеспечивает равномерную обработку гидродинамическим давлением всей толщи водо-насыщенного песка в прифильтровом пространстве '[24].

Исследованы фильтрационные характеристики песка до и после вибрационной гидродинамической обработки продолжительностью 10 мин. Критерием оценки служил коэффициент фильтрации, который определяли поинтервально по радиусу прифильтровой зоны. Эксперименты показали, что водопро-

(0 V ¿6 Р

._I_I_I_I_I

Ь г « б с в 1«

Рис. 10. Зависимость амплитуды гидродинамического давления р от амплитуды колебаний рабочего органа Л и от величины радиального зазора р между рабочим органом и трубой:

t — зависимость времени на восстановление проницаемости фильтра от р

ницаемость песка может понизиться не более чем на 15%, а это не оказывает заметного влияния на водоотдачу при 200—300% увеличения дебита, достигаемого при вибрационной разглинизацин или декольматации [28].

В результате теоретического исследования колебаний столба воды в трубе с фильтрующими стенками получены закономерности изменения амплитуды гидродинамического давления р в зависимости от отношения диаметров трубы и диска р при различных показателях проницаемости фильтра (рис. 11), которые дают возможность прогнозировать характер прогекания гидродинамических процессов при заданных параметрах вибрирования, рабочего органа и скважины [39].

Выполнены исследования в лабораторных и полевых условиях кинетики растворения кольматанта в скважинах при виброреагентной обработке, в процессе которой отбирали пробы раствора для определения концентрации железистых соединений. Установлено, что концентрация возрастает с увеличением амплитуды гидродинамического давления и времени виброобработки. Стабилизация роста концентраций достигается через 25—30 мин вибрирования [30, 31].

Сравнение интенсивности растворения кольматирующих образований при реагентной ванне и виброреагентном воздействии показывает, что в условиях ванны коэффициент интенсивности равен 0,003—0,008, а при виброреагентном воздействии 0,077—0,115. При этом возрастает не только скорость растворения, но и степень извлечения кольматанта из прифильтровой зоны скважины. Если принять насыщенность порового пространства этой зоны кольматантом перед обработкой за 60%, то остаточная насыщенность после реагентной ванны составит 40%, а после виброреагентной обработки— 10—15%.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при виброреагентном воздействии улучшается массообмен между кольматантом и реагентом и происходит разрушение структурных связей осадка.

Для тяжелых условий работ (разглинизация мелкозернистых песков, обработка скважин при химической кольмата-ции) обосновано применение рабочих органов, диски которых

1,0 и:

0,1 ^ 0,1 0,5

о> о,г 0,1 о

- \ЧА=» \ IX

-. \ <4

0,01

0,02

Рис. II. Зависимость гидродинамического давления от отношения диаметров трубы и диска при различных показателях проницаемости фильтра

2*

19

совершают по отношению друг к другу противофазные колебания. Это обеспечивает возбуждение импульсов гидродинамического давления встречного направления, повышающих эффект очистки фильтра и прифильтровой зоны. Предложены и исследованы рабочие органы, включающие вибронасосы, которые в процессе вибрационной гидродинамической обработки могут вести откачку скважин, осуществлять циркуляцию реагента и его принудительное нагнетание через фильтр в прифильтровую зону, что при высокой эффективности процесса позволяет упростить технологию работ по сравнению с традиционными приемами [26].

Для вибрационной гидродинамической обработки скважин созданы поверхностные и погружные виброустановки типа ВУР. Параметры виброустановок, рабочие органы которых совершают колебания с амплитудой 6—12 мм при частоте 11,7—13,3 Гц, обеспечивают возбуждение гидродинамического давления с амплитудой до 0,5 МПа [15, 40].

Исследованиями установлено, что клапанные узлы вибронасосов, используемых с виброустановками типа ВУР, обеспечивают производительность до 6,0 м3/ч при следующих параметрах: масса клапана 0,1 кг, жесткость пружины 12 — 15 Н/см при предварительной осадке 8—10 мм, ход клапана 2—3 мм. Вибронагнетатель с таким клапанным узлом позволяет создать в обрабатываемых реагентом фильтре и прифильтровой зоне избыточное давление 0,3—0,4 МПа [26J.

Рабочие органы для комбинированной термовиброреагенг-ной обработки скважины наряду с клапанными узлами оснащены электронагревательным элементом или устройством для реагентного нагрева раствора. При их использовании в скважине одновременно происходят следующие процессы: нагрев раствора, его взаимодействие с кольматирующими соединениями, механическое разрушение кольматанта гидродинамическим давлением и циркуляция реагента. В комплексе это существенно интенсифицирует регенерацию скважин и повышает эффективность обработки.

Высокопроизводительное производство работ по вибрационной гидродинамической обработке скважин определяется не только степенью технологичности и эффективности виброоборудования, но и уровнем механизации вспомогательных операций. С этой целью проведены исследования, направленные на разработку специализированных самоходных агрегатов для освоения и регенерации скважин. В результате созданы и трестами Промбурвод и Ремсельбурвод внедрены в производство агрегаты типа ABO и АВР, которые позволяют осуществлять спуско-подъемные операции при монтаже (демонтаже) виброустановок, рабочих органов, насосно-компрес-сорных труб и водоподъемного оборудования; запуск в ра-

боту погружных электронасосов для их опробования после монтажа в скважине; чистку ствола скважин желонками [1, 15, 17, 25, 27, 40].

Анализ опыта эксплуатации агрегатов и виброустановок ВУР с различными рабочими органами показывает, что с их помощью эффективно решаются следующие задачи: освоение (разглинизация) скважин, пробуренных на водоносные пески вращательным способом с глинистым раствором, применением вибрационной гидродинамической обработки достигается сокращение периода освоения скважин в 2—4 раза с получением требуемого водоотбора; повышение производительности скважин вращательного и ударно-канатного бурения, на которых в результате освоения откачкой не удалось достичь намеченного дебита, в таких случаях вибрационное гидродинамическое воздействие позволяет восстановить проницаемость фильтра и прифильтровой зоны и сдать скважину в эксплуатацию; восстановление производительности эксплуатирующихся скважин, снизивших дебит вследствие механической или химической кольматации, применение вибрирования позволяет успешно проводить регенерацию, удалять кольматант как с применением химических реагентов, так и без них (последнее возможно в случае рыхлых отложений).

Вибрационная технология ликвидации бездействующих водозаборных скважин с извлечением обсадных труб и тампонированием. Глубина водозаборных скважин, как правило, лежит в пределах 50—200 м, диаметр составляет 150—500 мм, на устройство одной скважины расходуется 5—20 т сталь-пых обсадных труб. Продолжительность эксплуатации скважин при условии проведения нескольких ремонтов редко превышает 10 лет. В стране количество бездействующих скважин достигло нескольких сотен тысяч. Такие скважины часто являются источниками загрязнения подземных вод, так как качественно не затампонированы, в большинстве из них находятся трубы, которые могли бы быть повторно использованы при устройстве новых скважин. Сложность задачи извлечения труб состоит в том, что для преодоления сил сцепления требуется прикладывать статические усилия 1000— 3000 кН. Недостаток статического извлечения состоит в обрыве труб в процессе выдергивания, так как усилия лежат в пределах разрушающих нагрузок для резьбовых соединений [3].

Проведенными опытно-производственными работами по вибрационному извлечению труб 0 200—500 мм из скважин глубиной 100 м установлена пригодность по механической прочности извлеченных после 10-летнего пребывания в грунте труб к повторному использованию. Усилия извлечения не превышали 200—250 кН, случаев обрыва труб не было [19].

Специфика извлечения труб из бездействующих скважин потребовала проведения исследований, направленных на изыскание оптимальных параметров вибрационных процессов, создание рациональных технологических приемов [7, 10]. Автором были получены сравнительные данные по эффективности статического выдергивания труб и их извлечения статической силой с вибрационным и ударно-вибрационным воздействием.

Сопоставление кривых (рис. 12) показывает, что при ударно-вибрационном режиме с ударами вверх и вниз срыв

трубы относительно грунта достигается при наименьшей силе, а убывание усилия извлечения в ходе поступательного движения трубы происходит быстрее, чем при других видах продольного динамического воздействия. При выдергивании трубы только статической силой эти показатели наихудшие, работа на вибрационном режиме и ударно-вибрационном с ударами вверх характеризуется усилиями, которые меньше, чем при статическом выдергивании, но больше, чем при двухударном режиме. Наибольшая средняя скорость извлечения трубы получена при двухударном режиме, далее следует одноударный и вибрационный, а затем чистостатическое действие.

Воздействие на трубу статической силой и продольной динамической нагрузкой позволяет уменьшить тяговую силу до величин, превышающих значение суммарной силы тяжести трубы и вибратора на 10—20%.

При выборе вида динамического воздействия на извлекаемую трубу основными критериями являются потребляемая вибромашиной мощность, ее надежность и технологичность.

По потребляемой мощности вибрационное воздействие имеет преимущество в сравнении с продольным ударно-вибрационным. Кроме того, вибраторы обладают большей надежностью и простотой эксплуатации.

В этой связи за основной режим извлечения труб длиной до 100 м следует принимать вибрационный, продольные

1

Рис. 12. Измененне силы при различных способах извлечения трубы из грунта: / — только статической силой; 2, 3, 4 — совместным действием статической силы и соответственно вибратора, вибромолота с уларами вверх, двухударного вибромолота; 5 -сила тяжести трубы и вибромеханизма; а, Ь, с, с1—сила, при которой начинается поступательное движение трубы соответственно на кривых /, 2, 3, 4\ а', Ь', с', й' и а", Ь", с", й" — соответственно максимальная и минимальная сила

ударно-вибрационные режимы применять в таких условиях защемления труб, когда вибрацинное воздействие не приводит к их срыву относительно грунта или требуются значительные тяговые усилия. Подобные режимы дает возможность реализовать виброустаиовка ВШ-1.

При глубине скважин более 100 м возможно затухание продольных колебаний трубы по ее длине и снижение эффективности вибрационного воздействия, которое имеет место также при малых гулубинах, когда трубы в скважине зацементированы. Для подобных случаев предложена и исследована такая технология иззвлечения труб, при которой наряду со статической силой и продольной вибрационной нагрузкой трубе в зоне ее защемления сообщают поперечное ударно-вибрационное воздействие посредством свободно спускаемого в скважину вибровозбуднтеля горизонтального действия, расчетная амплитуда колебаний которого на 1—2 мм больше радиального зазора между ним и трубой. Созданный для этой цели снаряд ГВС-1 работает в режиме свободного беспружинного вибромолота с <3/Ро—0,12.

Исследованиями установлено, что поперечное ударно-вибрационное воздействие в зоне защемления трубы по разрушению сил сцепления более эффективно по сравнению с продольными колебаниями или ударно-вибрационной нагрузкой с ударами вверх при практически равных затратах энергии. Механизм преодоления сил сопротивления при новом воздействии обусловлен упругими поперечыми колебаниями стенки трубы, являющимися следствием сложного напряженно-деформированного состояния ее материала в локальной зоне работы снаряда. Эксперименты показали, что технологически выгодно создавать извлекающее усилие гидродомкратами, работа которых может успешно сочетаться с наложением на трубу не только поперечной динамической нагрузки, но и продольных вибрационных и ударно-вибрационных воздействий [38].

Ликвидация бездействующих скважин по вибрационной технологии с извлечением труб и тампонированием может быть эффективно осуществлена при рациональном агрегатировании вибромашин определенной мощности с грузоподъемными средствами. В пределах одного цикла операции по вибрационному извлечению и выполнению тампонажа совмещены, что сокращает продолжительность работ и повышает качество тампонирования за счет вибрационной укладки тампонажного материала. Расчетами установлено, что с учетом совокупных затрат на извлечение труб и тампонирование ствола себестоимость извлеченных труб, пригодных для повторного использования (85% от общего количества),

меньше стоимости новых в 2—4 раза в зависимости от диаметра [3, 4, 37].

Автором разработаны предложения по строительству скважин по ресурсосберегающей технологии, при которой на водозаборе первоначально извлекают трубы из вышедших из эксплуатации скважин, а новые устраивают с использованием извлеченных труб. Такая организация работ позволяет получить народнохозяйственный эффект, выражающийся в металлосбережении и охране от загрязнения подземных вод и дает возможность водопользователю снизить затраты на устройство новых скважин, а строительной организации уменьшить расходы на доставку труб и сократить сроки производства работ. Для внедрения новой технологии обоснованы необходимые комплекты вибрационного и грузоподъемного оборудования, составленные на базе освоенных в производстве машин. Решением экономико-математической модели определены оптимальные варианты агрегатирования машин для ликвидации скважин различной, глубины и установлено, что в масштабах страны внедрение ресурсосберегающей технологии позволит для устройства новых скважин ежегодно возвращать около 100 тыс. т труб и обеспечить годовой экономический эффект 18 млн. руб. Предложенная технология освоена Черкасской гидрогеологической экспедицией [37].

В табл. 2 содержатся сведения о созданных в рамках настоящей работы вибрационных технологических процессах и оборудовании для их осуществления, а также приводятся данные об их патентной защищенности.

Таблица 2

.Технологические операции и вибрационное оборудование, созданное для их выполнения авторских свидетельств на изобретения соискателя, на основе которых разработаны вибрационная технология и оборудование

1 2

Погружение труб, их извлечение при обнажении фильтров. Вибромолоты БВС-1, БВС-1М, забивной ударно-вибрационный снаряд

Устройство гравийно-проволочных фильтров с башмаком-расширителем. Вибраторы ВПФ-1 и ВПФ-2

. Проходка связных пластичных по' род. Ударно-вибрационные желонки ВЖ-1, ВЖ-2

207120, 260525, 322461, 628231, 853081, 897949, 933925

206247, 583241, 742535, 857354, 926157, 115675

151643, 212193, 604903, 759694, 791879, 802519, 1154427, 1283351, 1406329

Продолжение табл. 2

Разработка крепких пород. Ударно-вибрационные снаряды ВС-1, ВС-2 и ВС-3

Разгрузка клапанных желонок. Виброустановка ВУРЖ

Восстановление проницаемости фильтра и прифильтровой зоны при освоении и регенерации скважин. Виброустановки ВУР-2, ВУР-3, ВУР-4 и ВУР-5 с различными рабочими органами

Монтаж и демонтаж водоподъемного оборудования, виброустановок и их рабочих органов. Самоходные агрегаты АВО-1, АВО-2, АВР-1 и АВР-2

Извлечение труб и фильтров при ремонте и ликвидации скважин. Горизонтальный ударно-вибрационный снаряд ГВС-1, виброустановка ВШ-1

Сооружение скважин для особых техногенных условий, устройство гравийной засыпки фильтров

518561, 578418, 592961, 640014, 662683, 735735, 791900, 954556, 1459317, решение о выдаче а. с. по заявке 4453998

1301960, 1461852

184248, 262042, 286619, 366253, 398736, 472188, 494495, 520434, 548706, 569689, 663822, 749998, 834335, 1116132, 1375750, 1530701

649643, 9)4749, 1409734

233537, 263477, 468978, 1126015, 1249114, 1550038, 1612063

615188, 1325140, 1349360, 1353703, решение о выдаче а. с. по заявке 4416077

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования, разработки и анализ результатов производственного использования представленных новых технических решений позволяют заключить, что применение вибрационного метода является эффективным средством увеличения производительности труда, снижения материальных затрат и повышения технического уровня и качества работ при выполнении различных технологических операций в ходе сооружения, регенерации и ликвидации водозаборных скважин. Созданы вибрационные технологии и средства, отвечающие специфике проводимых работ и позволяющие реализовать преимущества, которые несет в себе наложение на среду того или иного вида вибрационных нагрузок.

2. Обоснованы оптимальные с точки зрения эффективности процесса виды вибрационного нагружения: труб при их погружении в грунт в процессе устройства скважин (ударно-вибрационное воздействие с вдавливающим усилием);

фильтров с башмаком-расширителем при их посадке, труб при обнажении фильтров (вибрирование); связных и крепких пород при их разработке (ударно-вибрационные нагрузки); клапанных желонок при их разгрузке (вибрирование взаимодействующего с клапаном штыря); фильтра и прифильтро-вой зоны водоносного пласта при освоении и регенерации скважин, песчано-гравийной смеси при обсыпке фильтра и тампонировании скважин (вибрационная гидродинамическая обработка); труб и фильтров при их извлечении в ходе ликвидации скважин (вибрирование или продольные ударно-вибрационные нагрузки с выдергивающей силой при глубине скважин до 100 м, при увеличении глубины дополнительное воздействие в зоне защемления поперечной ударно-вибрационной нагрузкой).

3. Установлены закономерности различных вибрационных процессов в предложенных технологических решениях, определены оптимальные параметры протекания этих процессов, обоснованы и разработаны конструкции необходимого комплекта эффективных технических средств (вибромашины, специализированные самоходные агрегаты, вспомогательная оснастка).

4. Созданные решения позволяют в ходе сооружения, регенерации и ликвидации водозаборных скважин с высокой производительностью выполнять работы по: погружению (извлечению) обсадных труб, посадке фильтров с башмаком-расширетелем, разгрузке клапанных желонок и проходке связных и крепких пород при устройстве скважин ударно-канатным способом; повышению дебита скважин при их освоении после окончания вращательного бурения с использованием глинистого раствора, при регенерации скважин в ходе эксплуатации; принудительному погружению труб из полимерных материалов при обустройстве скважин; извлечению обсадных труб и фильтров при ликвидации бездействующих скважин, а также тампонированию последних; монтажу и демонтажу в скважинах водоподъемного оборудования и вибрационных рабочих органов.

5. Разработаны необходимые для широкого применения новых технических и технологических решений нормативно-технические документы (ведомственные строительные нормы, технические условия, руководства, рекомендации). Результаты исследований включены в состав Пособия к СНиП 2.04.02—84 [2].

6. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной вибрационной технологии выполнения работ на стадиях сооружения, регенерации и ликвидации водозаборных скважин на один комплект вибротехнических и вспомогательных средств может достигать 200 тыс. руб.

По данным производственных организаций, суммарный экономический эффект от использования выполненных разработок в период 1971—1990 гг. составил 9,0 млн. руб. По данным Госстатотчетности использования изобретений автора (форма 4-НТ перечень), общая сумма экономии — 1,4 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ

1. Вибрационная техника и технология а свайных и буровых работах.—Л.: Стройиздат, 1987. —§§ 13, 22—<28.

2. Пособие по проектированию сооружений для забора подземных вод. К СНиП 2.04.02—84. —М.: Стройиздат, 1989.— §§ 3.6, 3.10, 3.11, 3.30, 19.12.

3. Повышение эффективности строительства водозаборов подземных вод на основе применения ресурсосберегающей технологии.— Л.: ЛДНТП, 1988.

4. Экономическая эффективность ликвидации бездействующих скважин на воду с извлечением обсадных труб и тампонированием//Про-блемы развития малоотходных и безотходных производств и комплексного использования ресурсов. — М.: Академия народного хозяйства при Совете Министров СССР, 1988.

5. Экономия металла при артезианском водоснабжении/УВодоснаб-женнс и санитарная техника. — 1989. — АГ» 7.

6. О рациональном типе вибромеханизма для посадки обсадных труб при ударно-канатном бурении водяных скважин//Специальные строительные работы и санитарная техника.—-М.: ЦБТИ ММСС СССР, 1968.

7. Сравнительное экспериментальное исследование эффективности вибраторов и вибромолотов при извлечении труб из грунта//Специальные строительные работы. — Л.: Стройиздат, 1969. — Т. 1.

8. Исследование параметров вибрационной установки для разглшш-зации водяных скважин//Специальные строительные работы. — Л.: Стройиздат, 1970.

9. О методике расчета параметров оборудования, применяемого при вибрационной разглинизации водяных скважин//Специальные строительные работы и санитарная техника.— Л.: Стройиздат, 1970.

10. Экспериментальные данные о параметрах вибрационного извлечения труб из грунта//Спеииальные строительные работы.—М.: ЦБТИ .ММСС СССР, 1970.

11. Переходник-захват для виброизвлечения из грунта обсадных труб//Механнзация строительства.— 1972. — № 7.

12. Опыт вибрационной разглинизации водяных скважин//Специаль-ные строительные работы. — Л., 1973.

13. Повышение производительности водяных скважин путем виброхимической обработки//Специальные строительные работы. — Л., 1974.

14. Пути повышения технико-экономических показателей ударно-канатного бурения сцважин на воду//Специальные строительные работы. — Л., 1975.

15. Вибрационное оборудование для интенсификации и повышения качества работ при устройстве скважин на воду//Специальные строительные работы.— Л., 1979.

16. Разработка наголовников к вибрационным машинам для погружения и извлечения обсадных труб//Технология и оборудование для специальных строительных работ. — Л., 1982.

17. Основные направления применения вибрационной техники и технологии при устройстве, ремонте и ликвидации скважин на воду//Тех-нология и оборудование для специальных строительных работ. — Л., 1984.

18. Разработка грунта виброударными желонками//Мехакизация строительства. — 1987. — № 9.

19. Результаты экспериментальных работ по виброизвлечению обсадных труб большого диаметра//Вопросы гидромеханизации и специальных строительных работ. — Л.: Стройиздат, 1967 (соавтор М. Г. Цейг-лин).

20. Вибрационный способ разглинизации водяных скважин//Специ-альные строительные работы. — Л.: Стройиздат, 1969.—Т. II (соавтор М. Г. Цейтлин).

21. Результаты исследований вибрационного способа разглинизации водяных скважкн//Специальные строительные работы. — Л.: Стройиздат, 1972 (соавтор М. Г. Цейтлин).

22. Разглинизация скважин на воду вибрированием//Гидротехпика и мелиорация.— 1974. — № 10 (соавторы М. Г. Цейтлин, Л. Л. Либин).

23. Опыт применения свободного пружинного вибромолота при ударно-канатном бурении скважин на воду//Специальные строительные работы. — Л., 1974 (соавтор В. М. Лукин).

24. Исследование поля гидродинамического давления в толще водо-насыщенного песка при вибрационном воздействии//Технология и оборудование для гидромеханизированных работ и устройства подземных сооружений. — Л., 1989 (соавтор В. В. Топчии).

25. Техника и технология освоения скважин на воду//Гидротехника и мелиорация. — 1978. — № 12 (соавтор П. Е. Ожерельев).

26. Экспериментальные исследования новых вибрационных рабочих органов для гидродинамической обработки скважин на воду//Специаль-ные строительные работы.—Л., 1978 (соавторы В. М. Лукин, Б. А. Цыганков).

27. Специализированные монтажные агрегаты для освоения и ремонта скважин на воду, —М.: ЦБНТИ ММСС СССР, 1979 (соавтор С. Л. Драхлис).

28. Исследование влияния вибрационного гидродинамического давления на фильтрационные характеристики водонасыщенного песка в при-забойной зоне скважин на воду//Специальные строительные работы.— Л., 1981 (соавтор В. С. Алексеев).

29. Сооружение скважин на воду с применением вибрационных средств/уМонтажные и специальные работы в строительстве.— 1983.— № 1 (соавтор П. Е. Ожерельев).

30. Кинетика растворения кольматирующих образований в скважинах на воду при виброреагентной обработке//Технология и оборудование для специальных строительных работ.— Л., 1983 (соавторы В. С. Алексеев, В. Т. Гребенников, В. Е. Воропанов).

31. Опыт восстановления скважин на воду виброреагентной обра-боткой//Слециальные строительные работы/ЦБНТИ ММСС СССР. — 1984. — № 8 (соавторы, В. В. Топчин, Л. Л. Либин).

32. Исследование режимов работы виброударной желонки//Техноло-гия и оборудование для специальных строительных работ. — Л., 1985 (соавторы Б. Я. Яковлев, Д. Я. Терман).

33. Анализ результатов исследований конструктивных и технологических параметров виброударных снарядов для бурения крепких пород ударно-канатными еганками//Технология и оборудование для специальных строительных работ. — Л., 1986 (соавтор В. М. Лукин).

34. Исследование напряженно-деформированного состояния полимерных труб при их погружении в грунт динамическими воздействиями// Производство специальных строительных работ. — Л., 1987 (соавтор В. В. Топчин).

35. Повышение эффективности сооружения водозаборных скважин// Монтажные и специальные работы в строительстве. — 1988. — № 1 (соавтор П. Е. Ожерельев).

36. Исследование ударно-вибрационной разгрузки клапанных жело-нок//Технология и оборудование для свайных и буровых работ. — Л., 1988 (соавтор Б. Я. Яковлев).

37. Экономичная технология ликвидации скважин//Мелиорация и водное хозяйство.— 1989. — № 2 (соавторы В. И. Садовников, В. П. Тка-ченко).

38. Исследование эффективности продольных и поперечных динамических воздействий при извлечении труб из грунта//Ресурсосберегаю-щие технология и оборудование для производства специальных строительных работ. — Л., 1990 (соавторы Б. Я. Яковлев, В. И. Садовников).

39. Теоретическое исследование изменения гидродинамического давления в фильтровой зоне скважины при вибрационной обработке//Ресур-сосберегающие технология и оборудование'для производства специальных строительных работ.— Л., 1990 (соавторы Н. А. Колесниченко, О. П. Про-воденко).

40. Инструкция по разглинизации скважин на воду вибрационным способом. ВСН 219—79/ММСС СССР. — М., 1979 (соавторы М. Г. Цейтлин, Б. А. Цыганков).

41. Рекомендации по виброреагентному восстановлению производительности скважин. — М.: ВНИИВОДГЕО, 1980 (соавторы В. С. Алексеев, В. Т. Гребенников, В. Е. Воропанов, Л. Ф. Петряшин, В. А. Чуриков, А. Б. Мещанский).

42. Руководство по технологии ударно-канатного бурения скважин на воду с применением виброударных буровых снарядов.— М.: ЦБНТИ ММСС СССР, 1980 (соавтор В. М. Лукин).

43. Бурение скважин на воду ударно-канатными станками с вибрационными установками. ВСН 388—87/ММСС СССР. — М., 1988 (соавторы В. М. Лукин, М. Г. Цейтлин).

ОСНОВНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

44. Устройство для извлечения из грунта свай, шпунта, обсадных труб и подобных элементов. A.c. № 204254. — Б. И. № 21, 1967.

45. Клиновой самоцентрирующийся механизм для закрепления труб. A.c. № 206247,—Б. И. № 24, 19S7.

46. Устройство для извлечения обсадных труб. A.c. № 207120.— Б. И. № 1, 1968.

47. Устройство для обработки фильтра и прифильтровой зоны водяной скважины. A.c. № 286619, —Б. И. № 34, 1970.

48. Снаряд для ударно-канатного бурения. A.c. № 578418.— Б. И. № 40, 1977.

49. Водозаборная скважина. A.c. № 1349360, приоритет 30.09. 1986.

50. Рабочий орган устройства для виброреагентной обработки водозаборной скважины. A.c. № 1530701. —Б. И. № 47, 1989.

51. Способ извлечения обсадной трубы из грунта. A.c. № 1550038.— Б. И. № 10, 1990.

52. Устройство для тампонирования скважин. A.c. № 1612063.— Б. И. № 45, 1990.

53. Водозаборная скважина. Решение ВНИИГПЭ от 27.07,1989 о выдаче а. с. по заявке № 4416077/23—33.

54. Вибрационное устройство для фильтров. A.c. № 184248.— Б. И. № 15, 1966 (соавтор М. Г. Нураев).

55. Устройство для извлечения из грунта свай, обсадных труб и т. п. A.c. № 233537.— Б. И. № 2, 1968 (соавторы Б. Б. Рубин, М. Г. Цейтлин).

56. Устройство для погружения, например, свай. A.c. № 260525.— Б, И. № 3, 1970 (соавторы М. Г. Цейтлин, Л. Л. Либин, Б. Д. Скипа).

57. Способ разглинизаций стенок скважины. A.c. № 262042.—Б. Н. № 6, 1970 (соавторы М. Т. Цейтлин, Л. Л. Либин).

58. Устройство для извлечения обсадных труб. A.c. № 322461.— Б. И. № 36, 1971 (соавтор К. Г. Шилевская).

59. Рабочий орган устройства для очистки фильтра водяной скважины. A.c. № 366253.—Б. И. № 7, 1973 (соавтор Л. Л. Либин).

60. Вибромолот. A.c. № 468978, —Б. И. № 16, 1975 (соавторы М. 3. Певзнер, М. Г. Цейтлин).

61. Устройство для обработки фильтра и лрифнльтровой зоны водяной скважины. A.c. №№ 472188 и 494495. — Соответственно Б. И. №№ 20 и 45, 1975 (соавтор В. С. Алексеев).

62. Устройство для восстановления дебита водяных скважин. A.c. № 520434, —Б. И. № 25, 1976 (соавторы В. М. Лукин, М. Г. Цейтлин),

63. Устройство для разглинизации скважин на воду. A.c. № 569689.— Б. И. № 31, 1977 (соавтор Б. А. Цыгайков).

64. Виброгрейфер для станка ударно-канатного бурения. A.c. Ко 604903, —Б. И. 16„ 1978 (соавтор М. 3. Певзнер).

65. Устройство для обработки гравийного фильтра скважины. A.c. Ks 615188.— Б. И. АЦ 26, 1978 (соавтор Б. А. Цыганков).

66. Наголовник вибратора для обсадных труб. А. с. № 742535. — Б. И. № 23, 1980 (соавтор К. Г. Шилевская).

67. Способ контроля за процессом разглинизации скважин на воду. A.c. № 834335, —Б. И. № 20, 1981 (соавторы В. С. Алексеев, В. Т. Гребенников).

68. Установка для ремонта скважин. A.c. № 914749.— Б. И. № U, 1982 (соавторы О. В. Алексеев, И. И. Ханович, В. М. Лукин, П. Е. Оже-рельев, С. Л. Драхлис, Л. Л. Либин).

69. Устройство для внброреагентной обработки фильтра и при-фильтровой зоны водяной скважины. A.c. № 1116132. — Б. И. № 36, 1984 (соавторы В .В. Топчин, Л. Л. Либин).

70. Способ извлечения обсадных труб из грунта. A.c. № 1249114.— Б. И. А"» 29; 1986 (соавторы В. М. Лукин, В. И. Садовников).

71. Устройство для виброреагеитной обработки фильтра и лрифнльтровой зоны водозаборной скважины. A.c. № 1375750.— Б, И. № 7, 1988 (соавторы В. В. Топчин, Л. Л. Либин).

72. Устройство для разгрузки клапанной желонки. A.c. № 1461852.— Б. И. Аз 8, 1989 (соавторы В. М. Лукин, Б. Я. Яковлев, К. Г. Шилевская, П. Е. Ожерельев, Л, Л. Либин, В. И. Тарабукин).