CC BY
24
© И.С. Калинин, И.И. Бутов,
A.C. Журавлев, М.И. Буянов, 2015
УДК 622.243
И.С. Калинин, И.И. Бутов, А.С. Журавлев, М.И. Буянов
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПОДВОДНОГО КОДОНКОВОГО ПРОБООТБОРНИКА ДДЯ ОПРОБОВАНИЯ МОРСКИХ РОССЫПЕЙ
Представлена классификация подводных колонковых пробоотборников, рассмотрены область применения и эксплуатационно-технические требования к ним, проанализированы основные признаки для оценки подводных пробоотборников, приведены расчет беспружинного вибромолота и его использование для опробования морских россыпных отложений на шельфе Японского моря.
Ключевые слова: Подводные колонковые пробоотборники, морские россыпи, технико-энергетические параметры, беспружинный вибромолот, опробование донных отложений.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом разработано множество типов подводных пробоотборников и их конструктивных решений, которые варьируются от простейших прямоточных ударных трубок (гравитационных пробоотборников), внедряющихся за счет кинетической энергии при спуске, до сложных подводных колонковых вращательных пробоотборников [3, 5].
Пробоотборники обеспечивают однорейсовое бурение скважины, т.е. одноразовый отбор пробы в данной точке, в основном до глубины 4—6 м, а в илистых осадках - до 30-40 м. Они применяются при приведении геологического картирования, поисках и разведке россыпей и стройматериалов, инженерно-геологических изысканиях и экологических исследованиях, а так же при поисках нефтяных и газовых месторождений (газовая съемка).
Основными признаками, по которым классифицируют современные подводные, колонковые пробоотборники, являются следующие (рис. 1):
1. Способ связи пробоотборника с плавсредством.
2. Способ передачи энергии пробоотборнику.
Рис. 1. Классификация подводных колонковых пробоотборников
3. Вид процесса, происходящего в колонковой трубе, при погружении пробоотборника в грунт.
4. Вид используемой энергии при бурении.
Эти признаки оказывают влияние на глубину и время внедрения пробоотборника в грунт, качество получаемого керна, необходимость постановки плавсредства на якорь на станции опробования, способы извлечения пробоотборника из скважины и подъема его на борт.
При приведении геологоразведочных работ на шельфе в основном применяют неавтономные пробоотборники, которые в отличие от автономных опускаются на дно с помощью троса лебедки, расположенной на плавучем основании и после заполнения колонковой трубы керном, извлекаются из скважины и поднимаются на судно.
Управляемые пробоотборники внедряются в грунт за счет энергии, передаваемой с плавсредства. Процесс их погружения можно контролировать и управлять им. В этом случае повышаются технические показатели пробоотборников за счет увеличения глубины бурения и расширения диапазона категорий пород по буримости. Для привода управляемых пробоотборников широко используются пневматическая, гидравлическая и электрическая энергии.
Учитывая многообразие геологических условий отбора проб к колонковым пробоотборникам предъявляются следующие эксплуатационно-технические требования:
1. Возможно большее проникновение в толщу морского дна.
2. Обеспечение высокой достоверности опробования с достаточным выходом керна и минимальным стратиграфическим нарушением колонки грунта.
3. Ограничение весогабаритных характеристик, дающих возможность использования их на различных плавсредствах.
4. Высокий уровень механизации и автоматизации основных и вспомогательных операций, снижающих непроизводительные затраты времени.
5. Простота и надежность, удобство и безопасность в эксплуатации.
Должны быть учтены тенденции общего и бурового машиностроения по стандартизации, унификации, и модификации оборудования. Необходимо также, чтобы разрабатываемые пробоотборники не уступали лучшим мировым образцам подобного назначения.
Практика пробоотбора донных отложений показывает, что нецелесообразно создавать универсальные пробоотборники, обеспечивающие эффективное их использование в различных геолого-технических условиях, включая легкие илистые грунты и крепкие коренные породы. В таких случаях на плавсредстве необходимо иметь несколько типов пробоотборников, позволяющих решать поставленные задачи, или применять пробоотборники со сменными модульными компоновками рабочих узлов для различных способов бурения.
Выбор типа пробоотборника зависит, прежде всего, от поставленной геологической задачи, в соответствии с которой необходимо обосновать такие параметры, как диаметр бурения, длину колонковой трубы, массу пробоотборника, а также способ погружения с учетом геологического разреза и глубины моря. Кроме того, нужно принять во внимание тип плавсредства, с которого осуществляется бурение, в частности его водоизмещение, грузоподъемность и ряд других факторов.
Морские отложения, содержащие россыпи, представлены в большинстве случаев породами различного гранулометрического состава от илов до валунов и глыб.
Основными составляющими донных отложений в различных соотношениях являются илы, алевриты, пески, супеси, глины, гравий, галька и валуны.
В практике отбора проб донных отложений часто применяются пробоотборники, использующие электрическую энергию для привода различных вибромеханизмов. При этом пробоотборники бывают вибрационного или виброударного действия с применением вибраторов или вибромолотов пружинного и беспружинного типов. Несмотря на многообразие конструктивных решений, объединяет существующие вибропробоотборники необходимость размещения их в герметичном корпусе для изоляции электродвигателя от морской воды.
Анализ вибромеханизмов показывает, что наиболее эффективным для опробования песчано-гравийно-галечных отложений является беспружинный вибромолот, основными преимуществами которого перед вибраторами являются:
1. Высокая погружающая способность.
2. Возможность автоматического изменения режима работы и увеличения энергии единичного удара при росте сопротивления погружению колонкового набора в грунт.
Для обоснования выбора беспружинного вибромолота произведем расчет его технико-энергетических параметров, обеспечивающих процесс бурения в конкретных геологических условиях с учетом типа морской россыпи [2,3].
Вес ударной части вибромолота Р определяется из выражения:
Р = 2 Р Н ■
ПР-> 11 >
где Рпр - приведенный вес колонкового набора, Н.
Рпр = 1,2qgL, Н ;
где ц - масса 1 м колонковой трубы, кг/м; д - ускорение свободного падения м/с2; L - длина колонкового набора, м.
Максимальная величина А0 отскока ударной части, м:
А0 = К л АПР, м ,
где Ка - амплитудный коэффициент, зависящий от режима работы вибромолота (значение Ка изменяется от 1,6 до 4,3);
=
^ПР
Апр = —;Д, м ;
Р
где Мд - момент дебалансов, Н-м (на основании опытных буровых работ Мд = 15 -г 30 Н-м).
Число ударов вибромолота в секунду пУ определяется из соотношения:
л = , уд/сек; у 60/
где п - частота вращения дебалансов, мин-1 (п=1000г1500 мин-1); 1 - коэффициент, характеризующий режим работы вибромолота, зависящий от глубины скважины (при глубине до 4м -1 =1, а с увеличением глубины от 4 до 8 м - 1 = 2).
Угловая скорость вращения дебалансов ю определяется из выражения:
пп 1
ш= — , с .
30
Тогда мощность электродвигателя N для привода беспружинного вибромолота может быть определена по формуле:
N = К((А + Ар®)2 , кВт,
где К - коэффициент, учитывающий тепловые потери мощности в электродвигателе и затраты мощности на колебание герметичного кожуха вибромолота в воде.
Значение К можно принять равным 1,4-1,6.
С учетом расчетных значений параметров и литературных данных производится выбор необходимого типоразмера беспружинного вибромолота.
В настоящее время на суше широко применяется вибробурение скважин при инженерно-геологических изысканиях, при разведке россыпных месторождений и стройматериалов, поисково-съемочных работах.
При этом используются вибробуровые установки АВБ-2М, АВБ-3 и ВБУ, которые укомплектованы беспружинными вибромолотами ВБ-7 и ВБ-7М [1].
Для проведения поисков и разведки морских россыпей золота на шельфе Японского моря сотрудниками МГРИ был разработан и изготовлен подводный пробоотборник (рис. 2). Он был укомплектован вибромолотом ВБ-7, характеристика которого соответствовала расчетным параметрам пробоотборника для опробования донных отложений в конкретных геологических условиях [4].
Технические характеристики вибромолотов
Параметры ВБ-7 ВБ-7М
Момент дебалансов, Н-м 20 24
Максимальная вынуждающая сила, кН 35 60
Угловая скорость вращения дебалансов, с-1 131 141,3
Максимальный ход ударной части, м 0, 135 0,15
Мощность двигателя, кВт 7 9,4
Масса, кг 340 600
Рис. 2. Схема подводного колонкового пробоотборника (ВБ-7):
1 - опора; 2 - трубчатые направляющие; 3 - беспружинный вибромолот в герметичном корпусе; 4 -трос; 5 - электрический кабель; 6 - колонковый набор
Техническая характеристика подводного колонкового пробоотборника ВБ-7. Глубина моря, м - 50 Глубина бурения, м - 6 Диаметр бурения, м - 0,168. Масса, кг - 1000
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов. Соловьев Н.В., Кри-вошеев В.В., Башкатов Д.Н. и др. Под общей редакцией Соловьева Н.В. -М.: Высш.шк., 2007. - 904с.
2. Ганджумян P.A., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении. Справочное пособие. Под редакцией Калинина А.Г. - М.: РГГРУ, 2007.668 с.
3. Дробаденко В.П., Калинин И.С., Малухин Н.Г. Методика и техника морских геологоразведочных и горных работ. Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - Волгоград: Издательский Дом «Ин - Фолио», 2010. - 352с.
4. Калинин И.С., Попов Л.И., Пронюшкин В.Д., Романов С.Л. Вибробуровые снаряды для опробования морских россыпей. Изв. вузов. Геол. и разв. 1977, № 3.
5. Шелковников И.Г., Лукошков A.B. Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. - Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1979. -224 с. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Калинин И.С. - кандидат технических наук, доцент,
Журавлев A.C. - кандидат технических наук, доцент,
Буянов М.И. - кандидат технических наук, доцент,
Российский государственный геологоразведочный университет им.
Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), e-mail: office@mgri-rggru.ru
Бугов И.И. - горный инженер, технический директор ООО «Спектрон».
UDC 622.243
VALIDATION OF CHOICE OF AN UNDERWATER CORE SAMPLER FOR SEAFLOOR PLACERS
Kalinin I.S., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Russian State Geological Prospecting University, Russia,
Zhuravlev AS., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Russian State Geological Prospecting University, Russia,
Buyanov M.I., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Russian
State Geological Prospecting University, Russia,
Butov I.I., Mining Engineer, Technical Director, Spektron LLC, Russia.
The article gives classification of underwater core samplers, discusses their ranges of application and performance specifications, analyzes basic criteria for evaluation of underwater samplers and presents calculation of springless vibrohammer and its use in sampling at seafloor placers on the shelf of the Japan Sea.
Key words: underwater core sampler, seafloor placers, technical-and-economic indexes, springless vibrohammer, bottom deposit sampling.
REFERENCES
1. Burenie razvedochnyh skvazhin (The drilling of exploratory wells). Ucheb. dlja vu-zov. Solov'ev N.V., Krivosheev V.V., Bashkatov D.N. i dr. Pod obshhej redakciej Solov'eva N.V. Moscow: Vyssh.shk., 2007. 904 p.
2. Gandzhumjan R.A., Kalinin A.G., Serdjuk N.I. Raschety v burenii (The calculations in drilling). Spravochnoe posobie. Pod redakciej Kalinina A.G. Moscow: RGGRU, 2007. 668 p.
3. Drobadenko V.P., Kalinin I.S., Maluhin N.G. Metodika i tehnika morskih geologoraz-vedochnyh i gornyh rabot (Methods and techniques of marine exploration and mining). Ucheb. dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij. Volgograd: Izdatel'skij Dom «In-Folio», 2010. 352 p.
4. Kalinin I.S., Popov L.I., Pronjushkin V.D., Romanov S.L. Vibroburovye snarjady dlja oprobovanija morskih rossypej (Vibroboy shells for sampling marine placers). Izv. vuzov. Geol. i razv. 1977, No 3.
5. Shelkovnikov I.G., Lukoshkov A.V. Tehnicheskie sredstva podvodnogo razve-dochnogo burenija i oprobovanija (Technical means of underwater exploration drilling and testing). Leningrad, Izd-vo Leningr. un-ta, 1979. 224 p.
