Повышение эффективности проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола

Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2010". Авторы - В.М.Земсков, Кафедра «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины», Н.В.Краснолудский, Балаковский институт техники, технологии и управления (филиал), И.С.Михельсон, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (Россия, Балаково).

До 70 % повреждений подземных коммуникаций приходится на трубопроводы диаметром до 300 мм. Анализ способов бестраншейных технологий показывает, что при прокладке коммуникаций такого типоразмера, наиболее простой с конструктивной точки зрения и дешевый с экономической, это способ статического прокола. При проколе обеспечивается высокая прочность стенок скважины за счёт радиального уплотнения грунта. Несмотря на свою конструктивную и технологическую простоту он имеет ряд существенных недостатков: большие напорные усилия, низкую точность проходки. Одним из путей повышения эффективности процесса бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола является применение вибрации.

Как показали исследования Кершенбаума Н.Я., снижение тягового усилия наиболее эффективно в том случае, когда направление колебаний совпадает с направлением движения разрушающего инструмента в деформируемой среде, следовательно, для максимального снижения тягового усилия необходимо развивать колебания в направлении движения рабочего органа. Создаваемые вибратором направленные колебания вдоль оси трубы уменьшают силы бокового трения и содействуют более успешному преодолению лобового сопротивления, в результате чего скорость проходки возрастает в 6-8 раз, а необходимые напорные усилия снижаются в 8-10 раз по сравнению с проколом гидродомкратами. Однако, такие конструкции не получили применения, т.к. имеют низкую эффективность взаимодействия рабочего наконечника с грунтом, связанную с направленным вдоль оси характером колебаний рабочего наконечника, в результате чего часть возмущающей силы расходуется на вибрацию рабочего наконечника, а вторая – на прокладываемый трубопровод. При этом вторая составляющая является доминирующей при проколе.

Также проводились исследования конструкций установок для вибропрокола горизонтальных скважин с высокочастотными колебаниями прокладываемых труб в плоскостях, перпендикулярных к оси проходки, которые показали неэффективность таких колебаний.

Предпосылки для проведения исследований

Следует отметить, что имеются опытные результаты, противоречащие исследованиям вибропрокола с осевыми колебаниями. Так ещё в 50-х годах прошлого века трестом Гидрострой Главкиевстроя был осуществлен вибропрокол скважины диаметром 350 мм, длиной 18 м во влажной супеси с помощью виброснаряда в виде конуса, закрепленного на отрезке трубы, в которой размещен вал с насаженными на нем дебалансами, электродвигатель мощностью 7 кВт, частотой вращения 3000 об/мин, соединенный муфтой свалом дебалансов. Протаскивание виброснаряда осуществлялось канатом через лидерную скважину. Эксперимент показал снижение усилий более чем в 10 раз по сравнению со статическим проколом, в связи, с чем появилась необходимость более глубоких исследований процесса вибропрокола горизонтальных скважин рабочим наконечником с колебаниями перпендикулярно оси образуемой скважины. Цель таких исследований можно сформулировать как повышение эффективности проходки горизонтальных скважин способом вибропрокола при бестраншейной прокладке коммуникаций путём снижения лобового сопротивления внедрению рабочего наконечника и как следствие повышения точности, увеличения скорости и длины проходки.

Первоначально необходимо было выяснить физическую картину процессов происходящих в грунте при образовании горизонтальных скважин способом вибропрокола. При внедрении конусного рабочего наконечника грунт уплотняется в стенки скважины, имея такое свойство как сжимаемость, которая обусловлена изменением пористости, а, именно, общим объёмом пор в грунте под действием напорной силы на конусный рабочий наконечник. Изменение пористости грунта в зоне внедрения конусного рабочего наконечника возможно только при изменении структуры грунта при повышенных напряжениях, иначе говоря, при структурных деформациях твёрдых частиц грунта, их перемещением из сжатой зоны перед конусным рабочим наконечником. Структурные деформации определяются предельным напряжённым состоянием, при котором нарушается существующее равновесие в структуре грунта. Такое предельное напряжённое состояние определяется величиной среднего критического напряжения или так называемым коэффициентом сопротивления грунта уплотнению . В работе приведены результаты экспериментальных исследований по определению величин и закономерностей изменений напряжений в массиве грунта при статическом проколе. Напряжения в массиве грунта образуют напряжённую зону, определяемую 3-5 диаметрами конусного рабочего наконечника. Примерно в этой зоне происходят структурные деформации грунта. При этом эпюра распространения средних критических напряжений в плоскости, перпендикулярной оси проходки, представляет собой концентрическую окружность с центром на оси скважины. Исходя из этой картины, становится ясным, что наиболее рациональными являются круговые колебания рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси проходки с распространением энергии колебаний в размерах напряжённой зоны грунта. В этом случае увеличивается интенсивность воздействия вибрации на грунт по всей зоне структурных преобразований и в результате значительно снижается усилие прокола.

Вибратор, установленный внутри конусного рабочего наконечника, является интенсификатором   процесса образования скважины, так как энергия колебаний, передаваемая в массив грунта, способствует снижению коэффициента внутреннего трения и сцепления, что уменьшает величину критического напряжения для изменения структуры грунта, и в конечном итоге уменьшает напорную силу.

Результаты исследований

Исследования проводились в два этапа: теоретический и экспериментальный.

На этапе теоретических исследований была выдвинута рабочая гипотеза взаимодействия рабочего наконечника с грунтом, для подтверждения которой использовался термодинамический (энергетический) метод. В основу теоретических исследований была положена идея Рейнольдса о единстве процесса переноса тепловой и механической энергий. К грунту, на который воздействует вибрационный рабочий наконечник, рис.1., энергия подводится периодическими импульсами с угловой частотой равной угловой частоте вращения дебаланса рабочего наконечника. Подводимая энергия, в соответствии с законом её сохранения, не исчезает бесследно, а передаётся от одних частиц грунта к другим через точки их соприкосновения (контакты),расходуясь на изменение структуры грунта. В связи с этим процесс распространения колебаний в грунте можно уподобить процессу теплопередачи.

Вибрационное воздействие конусного рабочего наконечника на грунт уменьшает внутреннее трение и сцепление между частицами, что позволяет принять изменение сил внутреннего трения и сцепления за основные показатели процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом. Силы внутреннего трения и сцепления являются составляющими главного из механических свойств грунта - сопротивления сдвигу. Интенсивность изменения этих сил на расстоянии от поверхности вибрационного рабочего наконечника неодинакова. Разницей в показателях сил внутреннего трения и сцепления с удалением от поверхности наконечника можно характеризовать затраты энергии на виброобработку грунта, а за показатель, характеризующий изменение сил внутреннего трения и сцепления принимается разность между значением удельной силы сдвига грунта в статике и при вибрации.

В результате теоретических исследований были установлены зависимости для определения глубины проникновения энергии колебаний в грунте с учётом его физико-механических свойств и режимных параметров работы дебалансного вибратора рабочего наконечника, частоты колебаний в зависимости от грунтовых условий и диаметра скважины, мощности на привод дебалансного вибратора рабочего наконечника.

Для проверки полученных теоретических результатов на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» БИТТиУ СГТУ были проведены экспериментальные исследования. Первоначально проводились эксперименты по протаскиванию конусного рабочего наконечника с дебалансным вибратором. Виброснаряд представляет собой конус с углом при вершине α =  с цилиндрическим поясом, к которому через отверстия крепится вибратор в виде электродвигателя, мощностью 2,2 кВт и частотой вращения вала 2880 об/мин, на концах которого закреплены дебалансы и крышка дебалансов. В экспериментах регулировалась скорость протаскивания, фиксировались значения усилия протаскивания и мощности дебалансного вибратора. По средним значениям замеров на рис.2. представлен график зависимости скорости прокола  от усилия F.

Сравнивая это усилие с экспериментальными данными для статического прокола, можно сделать вывод, что колебания рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси проходки, относительно нулевой точки, расположенной на вершине конуса, уменьшает усилие прокола в 10 – 15 раз.

Из графика, рис.2., видно, что чем меньше скорость, тем меньше усилие прокола. Это объясняется тем, что с уменьшением скорости прокола возрастает время вибрационного воздействия на грунт в зоне структурных деформаций, в результате чего перемещение частиц в этой зоне происходит в большей мере не от статического воздействия на грунт, а от энергии колебаний, которая уменьшает силы внутреннего трения и сцепления между частицами, в результате чего их переориентировка и течение от поверхности виброснаряда в зону меньших напряжений происходит с меньшим напорным усилием. И, наоборот, с увеличением скорости прокола уменьшается время вибрационного воздействия на грунт в зоне структурных преобразований,  в результате чего частицы не успевают потерять контакт между собой, и, как следствие этого, трение и сцепление между ними достаточно высоко и на их перемещение в зоне структурных деформаций требуется большее усилие прокола.

С другой стороны, уменьшение скорости проходки приводит к увеличению мощности дебалансного вибратора рабочего наконечника, рис.3., что объясняется явлением виброраскатки скважины. В этом случае рабочий наконечник образовывает скважину больше диаметра своей наружной поверхности и при проходке обкатывается по стенкам скважины, затрачивая при этом энергию не только на изменение свойств грунта, но и на собственное сложное движение относительно оси скважины.

Проведенные эксперименты дали импульс к созданию конструкций для бестраншейной прокладки трубопроводов методом вибропрокола, в которых вибрирующим элементом является рабочий наконечник, с колебаниями в плоскости, перпендикулярно оси проходки относительно нулевой точки, расположенной на вершине конуса рабочего наконечника.

На следующем этапе экспериментальных исследований была подтверждена рабочая гипотеза взаимодействия рабочего наконечника с грунтом и определены рациональные амплитудо-частотные параметры вибронаконечника. Было установлено, что ускорение колебаний грунта является одним из главных параметров, влияющих на интенсивность тиксотропных превращений, способствующих резкому снижению сил связей между частицами грунта, причем одно и тоже ускорение колебаний дает более значительное снижение сил внутренних связей на грунтах с большей площадью контакта точек частиц грунта в единицу времени.

Было установлено, что характер изменения ускорений колебаний в грунте, с удалением от вибрирующего наконечника, находится в прямой зависимости от коэффициента затухания, который имеет различные значения для каждого типа грунта. При этом коэффициент затухания колебаний в грунте δ (1/м)зависит и от частоты колебаний. Так на рис.4. представлена зависимость коэффициента затухания от частоты колебаний. Из этого графика следует, что существует граница значений частот колебаний после которой резко возрастает значение коэффициента затухания и как следствие снижается эффект вибробработки грунта.

Весьма интересны результаты экспериментов в области нахождения радиальных напряжений в грунте при воздействии вибрации. Так для супеси уменьшение радиальных напряжений в грунте происходит по убывающей кривой при частотах вращения до 3000 об/мин. При этом уменьшение напряжений составляет до 40раз. При возрастании частоты вращения дебаланса вибронаконечника до 3500 об/мин происходит резкое увеличение радиальных напряжений, что согласуется с зависимостью рис.4. При увеличении частоты вращения дебаланса энергия колебаний не передаётся в грунт окружающий рабочий наконечник, происходит резкое затухание амплитуды колебаний около рабочего наконечника и радиальные напряжения уменьшаются не столь интенсивно, чем при рациональных частотах колебаний.

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментально подтверждена эффективность проходки горизонтальных скважин рабочим наконечником с колебаниями перпендикулярно оси скважины.

2. Выявлена качественная картина процесса образования скважины способом вибропрокола с колебаниями перпендикулярно оси скважины, полностью подтверждающая выдвинутую рабочую гипотезу.

3. Экспериментально установлено, что доминирующее влияние на процесс образования скважин способом вибропрокола оказывает частота вращения дебалансов, которая в конечном итоге определяет необходимую величину ускорения колебаний.

Для создания промышленного образца оборудования для проходки горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций способом вибропрокола необходимо:

провести дополнительные исследования в различных грунтовых условиях;

оптимизировать конструктивные и режимные параметры устройств для вибропрокола;

разработать методику инженерного расчёта оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибропрокола.

Список литературы

1. Кершенбаум Н.Я. (1968) Виброметод в проходке горизонтальных скважин / Н.Я.Кершенбаум, В.И.Минаев. – М.: «Недра». – 152 с.

2. Пестов Г.Н. (1964) Закрытая прокладка трубопроводов / Г.Н. Пестов.- Подольск: Стройиздат.-188 с.

3. Полтавцев И.С. (1977) Специальные землеройные машины и механизмы для городского строительства / И.С.Полтавцев, В.Б.Орлов, И.Ф.Ляхович. - Киев: Будiвельник. – 136 с.

4. Патент 2190728 RU C1 МПК 7Е02F5/18 / Авторы: Ромакин Н.Е. , Ромакин Д.Н., Земсков В.М.«Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола» - Заявл. 05.03.2001.

5. Патент 2249083 RU С1, МПК 7Е02F5/18 / Авторы: Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Краснолудский Н.В.«Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола» - Заявл. 05.12.2002; Опубл.10.10.2002, Бюл.№28.

6. Патент 2256034 RU С1, МПК 7Е02F5/18 / Авторы: Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков В.М.«Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола» - Заявл.18.06.2003; Опубл.10.07.2005, Бюл.№19.

7. Патент 2238370 RU С1, МПК 7Е02F5/18 / Авторы: Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков В.М.«Устройство для образования скважин в грунте» - Заявл.06.02.2003; Опубл. 20.10.2004, Бюл.№29.