Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

При ударно-вращательном бурении разрушение породы происхо­дит при одновременном воздействии ударных нагрузок и вращении породоразрушающего инструмента. Нанесение ударных импульсов сни­жает энергоемкость процесса разрушения, так как большинство пород (особенно хрупкие) имеют пониженную прочность при динамическом характере прикладываемой нагрузки. Накладываемые на породу ударные импульсы обеспечивают рост глубины внедрения режущих элементов в породу и вызывают появление остаточных деформаций в виде трещин. Собственно разрушение породы (скалывание) происходит только при вращении бурового инструмента, в результате чего повышается меха­ническая скорость бурения. Для практической реализации ударно-вра­щательного бурения применяют специальные забойные ударные ма­шины. Машины, работающие на промывочной жидкости, называют гидроударниками, машины, приводимые в действие сжатым возду­хом,— пневмоударниками.

Ударно-вращательное бурение применяют в твердых горных поро­дах VI—XI категорий по буримости.

Бурение гидроударными машинами

Гидроударник — это забойная машина, которая приводится в дей­ствие энергией гидравлического удара, создаваемого потоком промы­вочной жидкости. Гидравлический удар формируется в гидроударнике в момент перекрытия канала, по которому движется промывочная жидкость, специальным клапаном, в результате чего возникает ано­мально высокое давление, перемещающее поршень-боек с нанесени­ем удара по наковальне. Энергия удара в виде ударного импульса передается по колонковой трубе породоразрушающему инструменту. Разрушение породы при ударно-вращательном бурении происходит в результате суммарного воздействия ударных импульсов, осевой на­грузки и крутящего момента.

Гидроударные машины классифицируют по кинематике рабочего процесса и способу распределения жидкости (Л. Э. Граф, Д. И. Коган).

Гидроударники прямого действия — машины, в которых разгон поршня-бойка и удар его по наковальне, жестко связанной с породо­разрушающим инструментом, осуществляется под действием энергии потока промывочной жидкости, а возврат поршня-бойка в исходное положение — за счет сжатой пружины. Большинство гидроударников для бурения разведочных скважин выполнено по схеме прямого дей­ствия: Г-7, Г-9, ГВ-5, ГВ-6 (табл. 2.14). В гидроударнике прямого действия разгон поршня-бойка и удар его по наковальне осуществля­ется под действием массы поршня-бойка и энергии сжатой пружины, а подъем — взвод поршня-бойка с одновременным сжатием силовой пру­жины — под действием гидравлического удара. Такие гидроударники не получили широкого применения в разведочном бурении, посколь­ку для обеспечения необходимой скорости взвода поршня-бойка тре­буется большой расход промывочной жидкости.

Таблица 2.14. Техническая характеристика гидроударников Марка гидроударника Г-9 Г-7 ГВ-5 ГВ-6 Диаметр коронки, мм 59 76; 93 76; 93 59; 76 Диаметр корпуса, мм 54 70 73 54 Рабочая жидкость Техническая вода Техническая вода и глинистый раствор Расход жидкости, л/мин 120-160 180-220 130-150 120-150 Перепад давления в машине, МПа 1,2-2,0 1,5 или 3,0 1,0-1,5 1,5 Энергия единичного удара, Н • м 50-60 60-70 10-15 5 Частота ударов, удар/мин 1000 1200 2800-3600 3000 Тип коронки ГПИ-126М ГПИ-74МВ Серийные твердосплавные и алмазные коронки

Гидроударники подразделяют по частотной характеристике на сред­нечастотные с частотой ударов 1200—1500 в минуту и высокочастот­ные — 2000—3000 ударов в минуту. Среднечастотные гидроударники (Г-7, Г-9) имеют более высокую энергию единичного удара и пред­назначены для бурения в породах средней твердости и твердых спе­циальным твердосплавным инструментом и шарошечными долотами диаметром 59 и 93 мм.

Высокочастотные — ГВ-5, ГВ-6 — с более низкой энергией еди­ничного удара применяют для бурения в породах средней твердости и твердых с использованием обычных серийных твердосплавных и ал­мазных коронок диаметрами 59 и 76 мм.

Гидроударники прямого действия работают по схеме, изображен­ной на рис. 2.30. Во время спуска и подъема гидроударник находится в подвешенном состоянии, и нижняя его часть в местах шлицевых разъемов 9 опускается (рис. 2.30, /). В таком положении промывоч­ная жидкость свободно проходит через гидроударник и колонковый снаряд 10, что бывает необходимо для удаления с забоя шлама на забое при спуске; при подъеме инструмента — для слива промывоч­ной жидкости из бурильных труб 1.

Рис. 2.30. Схема элементов работы гидроударника прямого действия на различных стадиях рабочего процесса: / — спуск в скважину; //—постановка на забой; ///—рабочий ход поршня ударника; IV — удар по наковальне породоразрушающего инструмента

При постановке гидроударника на забой шлицевые разъемы смыка­ются, клапан 3 перекрывает отверстие в поршне 4 и проход жидкости прекращается (см. рис. 2.30, II). Под действием резко повысившегося давления клапан вместе с поршнем и утяжелителем 6 с нарастающей скоростью движется вниз, ударяет по наковальне 7 в стакане 8, сжи­мая силовые возвратные пружины 2 и 5. В определенный момент, когда упорная втулка клапана дойдет до ограничителя 11 (см. рис. 2.30, III), клапан останавливается и отрывается от поршня. Поршень-боек под действием приобретенной кинетической энергии движется вниз и в конце хода наносит удар по наковальне 7; под действием удара резцы коронки (долота) разрушают породу забоя. При этом жидкость сво­бодно проходит через машину к забою.

С целью улучшения условий передачи удара шлицевой разъем 9 наковальни 7 имеет возможность в некоторых пределах переме­щаться в стакане 8, что ограничивает распространение ударного импульса на корпус гидроударника и бурильную колонну. После нанесения удара под действием разжатия пружины отскока клапан 3 и утяжелитель 6 с поршнем 4 возвращаются в исходное положе­ние. При их встрече поток промывочной жидкости перекрывается, возбуждается гидравлический удар, и все повторяется в той же последовательности.

Рациональная область применения гидроударников — бурение твер­дых хрупких пород: гранит, песчаник, габбро, базальт и др. Менее эффективно гидроударное бурение в упруго-пластичных породах: квар­циты, порфирит и др.

При бурении гидроударниками с повышенной энергией удара (Г-7, Г-9) особое внимание уделяется выбору бурового оборудования и об­вязке его на поверхности. Желательно использовать буровые станки с невысокой частотой вращения.

Выбор насоса определяется расходом и давлением промывочной жидкости, которые зависят от диаметра и глубины бурения скважи­ны. Напорная магистраль (рис. 2.31) состоит из стояка, напорных трубопроводов, вентиля для регулирования расхода промывочной жид­кости, компенсатора с манометром, шланга высокого давления и верт-

7 Рис. 2.31. Нагнетательная магистраль при бурении гидроударниками с повышенной энергией удара: / — насос; 2, <?—соединительные фланцы; 3 — вентиль; 4— трубопровод; 5—компенсатор; б—штуцер; 7—манометр; 9 — стояк; 10— напорный шланг; //— верлюг-сальник

люга-сальника. Все элементы, входящие в напорную магистраль, долж­ны быть рассчитаны на давление 7—10 МПа и иметь максимальные проходные сечения.

Конструкция твердосплавных коронок для гидроударного бурения зависит от типа гидроударника. Технические характеристики кольце­вых гидроударных коронок приведены в табл. 2.15. Конструкции ко­ронок КГ1 и ГПИ48М представлена на рис. 2.32.

Эффективность ударно-вращательного бурения по сравнению с вра­щательным определяется тем, что при ударном воздействии на породу нагрузки значительно выше, чем при вращательном бурении, а время контакта породоразрушающего инструмента намного меньше, что

Таблица 2.15. Характеристики твердосплавных коронок для гидроударников Диаметр, мм Характеристика пластин твердого сплава Область применения Тип Число угол заточки кате­ коронки наруж­ ный внут­ ренний резцов форма размер, мм общий отрица­ тельный перед­ ний породы гория пород по бури — мости КГ-1 96 115 68 87 4 Г-55 14x10x18 90 30 Вязкие и плас­тичные породы У1-УШ КГ-2 96 115 68 87 6 Г-56 14х8х 15 90 45 Однород­ные и пере­слаиваю­щиеся У1-Х КГ-3 . 76 115 93 112 52 87 65 84 4 Г-5702 Г-5703 12x10x19 14x11x19 90 45 Высокой абразив­ ности УП-Х a-viii КГ-4 76 42 6 Г-5501 10x8x18 75 15 Пластич­ У-У1 93 59 6 Г-5502 17x8x18 ные 112 78 8 и вязкие КГ-5 59 39 4 Г-5701 10x9x19 90 45 Моно­ литные УП-Х ГПИ48М 96 115 68 87 6 П1А 14x12x13,8 100 50 Твердые трещино­ватые и разру­шенные УП-Х ГПИ121М 59 39 6 Г-5701 10х9х 19 90 45 Трещи­новатые и абра­зивные УШ-Х

Рис. 2,32. Коронки для гидроударного бурения КГ1 (а) и ГПИ48М (б): 1 — корпус; 2— резцы; 3 — промывочные каналы

снижает абразивный износ инструмента. В момент нанесения ударов на забое возникает зона «предразрушения», объем которой в десятки раз превышает объем разрушенной породы. Поверхностный слой забоя покрывается трещинами, облегчающими последующее отделение час­тиц от породы, что значительно повышает скорость бурения.

Гидроударники успешно применяют в условиях изучения объек­тов со сложным геологическим строением, обеспечивая значительное уменьшение искривления скважин. С этой целью нижнюю часть бу­рового снаряда собирают в виде стабилизированной компоновки, со­стоящей из гидроударника с кожухами жесткости в местах шлицевых разъемов.

Типичные аварии при гидроударном бурении:

— поломки и выпадение твердосплавных резцов, поломки и раз­мыв матриц алмазных коронок;

— заклинивание породоразрушающего инструмента в конце рейса;

— обрывы колонковой трубы, гидроударника и бурильной колонны.

Причинами поломок и выпадения твердосплавных резцов могут

быть дефекты твердого сплава и низкое качество изготовления поро­доразрушающего инструмента, нарушение правил его эксплуатации (несоблюдение схемы чередования коронок, крутильные удары при бурении трещиноватых пород и др.).

Для ликвидации аварий с породоразрушающим инструментом при­меняют шнековые ловушки Л-76 или Л-59 (рис. 2.33). При наличии на забое керна ловушка опускается в скважину многократно — до пол­ного извлечения обломков. Зауженный участок скважины калибрует­ся расширителем, шарошечным долотом.

Рис. 2.33. Ловушка кусков твердого сплава:

/ — полый цилиндр; 2— приваренная пробка; 3 — стальная полоса; 4 — регулировочная прокладка, обеспечивающая совпадение ловушки и долота; 5 —долото 1 2 Рис. 2.34. Эжектор: / — сопло; 2 — диффузор

Для увеличения выхода керна, особенно в трещиноватых породах, применяют эжекторы, включаемые между гидроударником и колон­ковым набором (рис. 2.34).

Бурение пневмоударниками

Ударно-вращательное бурение с помощью пневмоударников находит широкое применение при бурении разведочных скважин на коренных и россыпных месторождениях полезных ископаемых, при бурении скважин на воду, а также сейсмических и инженерно-геологических скважин. Весьма эффективно пневмоударное бурение в районах рас­пространения вечной мерзлоты, безводных пустынных и высокогор­ных районах, в условиях поглощения промывочной жидкости. Кроме того, погружные пневмоударники с 50-х годов XX в. нашли обшир­ное применение при бурении взрывных скважин при подземных и открытых горных работах. На современном этапе пневмоударники в горном деле являются основным инструментом для бурения взрыв­ных скважин.

По данным ЦНИГРИ, механическая скорость пневмоударного буре­ния до 3—4 раз выше твердосплавного, а себестоимость работ снижа­
ется на 25—45 %. Область применения пнев — моударного бурения ограничивается отсутстви­ем водопритоков в скважинах. Глубина сква­жин не превышает 100—150 м при наличии водопритоков, а при их отсутствии достигает 300 м.

Рис. 2.35. Пневмо­ударник РП-130

Пневмоударники выпускают двух типов: с клапанным распределением воздуха (пневмо­ударники РП-130 и РП-130М) и с бесклапан­ным воздухораспределением (РП-111 и РП-94).

Пневмоударник РП-130 состоит из четырех основных узлов (рис. 2.35):

а — воздухораспределительное устройство, в которое входят перекидной (качающийся) кла­пан 2 со стержнем 3, трубка клапана 5, корпус клапана 4

б — поршневая группа, включающая ци­линдр 6, поршень 7, втулку нижнюю 8

в —детали, передающие ударную нагрузку: хвостовик 9, втулка шлицевая 10 и нижний пе­реходник /2;

г — корпус и шлицевой разъем включают верхний переходник 1, корпус 13 и шлицевую муфту 11.

Перед запуском пневмоударника колонко­вый набор опирается на забой, шлицевой разъем смыкается и поршень находится в крайнем ниж­нем положении, опираясь на хвостовик. В этом случае центральный канал в поршне перекрыт.

Сжатый воздух, проходя через верхнюю каме­ру, перекидывает правое крыло клапана и через открывающийся канал проходит по трубке кла­пана и боковым каналам в поршне клапана в нижнюю камеру. Под давлением воздуха пор­шень движется вверх и перекрывает выхлоп­ные окна а. Движение поршня вверх будет про­исходить до тех пор, пока не откроются окна б, после чего давление в нижней камере резко упадет. Давление в верх­ней камере повышается за счет движения поршня вверх по инерции, и в определенный момент оно превысит давление в сети, вследствие чего клапан перекидывается, закрывая доступ воздуха в нижнюю ка­меру. Под давлением воздуха и под действием своей массы поршень движется вниз (рабочий ход) и наносит удар по хвостовику. После удара цикл повторяется.

Особенностью бесклапанных пневмоударников является схема рас­пределения воздуха, в которой роль клапана выполняет поршень в паре с цилиндром. Принцип действия пневмоударника основан на возврат­
но-поступательном движении поршня-ударника за счет периодиче­ского поступления сжатого воздуха через радиальные отверстия в пор­шень в верхнюю и нижнюю камеры и последующего выброса его через выхлопные отверстия в цилиндре.

Все пневмоударники имеют автоматическую блокировку (см. рис. 2.35, в — блокировочное отверстие), которая останавливает работу ударного узла, не прекращая подачу воздуха на забой. Это позволяет периодически продувать скважину более интенсивно и при необходи­мости проводить спуско-подъемные операции с одновременной пода­чей воздуха в скважину. При подвешенном снаряде колонковая труба опускается под действием собственного веса, увлекая за собой нижний переходник, который может выходить из муфты на 20—25 мм. При этом открываются каналы в неподвижной нижней втулке, которые соединяют нижнюю камеру с кольцевым зазором, отводящим выхлоп­ной воздух, в результате чего обе камеры оказываются открытыми, и работа пневмоударника прекращается. В табл. 2.16 приведены тех­нические характеристики разведочных пневмоударников.

Таблица 2.16. Технические характеристики пневмоударников Тип пневмоударника РП-130 РП-111 РП-94 (РП-130М) Диаметр скважины, мм 132, 153, 161, 184, 216 113 96 Глубина бурения в породах, м: сухих 250-300 250-300 250-300 обводненных 100 100 100 Расход воздуха: общий, м3/ мин 10-12 7-9 5-6 в том числе на работу пневмоударника 6,5-7,5 4-4,5 3-3,5 Давление воздуха, МПа 0,6-0,7 0,6-0,7 0,6-0,7 Энергия единичного удара, Дж 250-300 140—Ї60 90-100 Число ударов в 1 мин 900-1100 1500-1800 1500-1800 Ресурс рабочего времени, ч 450 450 450 Масса, кг 62 46 36

В состав колонкового набора для пневмоударного бурения входят: буровая коронка с кернорвателем, колонковая труба, шламовая труба, пневмоударник, автомасленка и регулировочный клапан, служащий для отбора сжатого воздуха из бурильных труб, когда производитель­ность компрессора превышает расход воздуха, необходимого для ра­боты пневмоударника, и ступенчатого выброса воды из скважины при бурении обводненных пород. Регулировочный клапан устанавливают над автомасленкой, предназначенной для смазки деталей пневмоудар­ника.

Для пневмоударного бурения в ТулНИГП разработаны и изготов­ляются два комплекса технических средств: один — для разведки ко­ренных месторождений — РП, второй — для разведки россыпей в районах

распространения многолетней мерзлоты — КПР. Комплексы отлича­ются конструктивным исполнением оборудования и диаметрами. Кроме того, в комплекс КПР входят шламовые трубы разъемного типа ТШР и лоток-делитель для проведения опробования шлама. С комплексом поставляются одинарные (ТП) и двойные (ТДП) колонковые трубы диаметрами 146, 168 и 204 мм.

Твердосплавные коронки армируются резцами цилиндрической формы из твердого сплава ВК-15, ВК-8В достаточно крупного разме­ра с ориентированной вставкой лезвий резца. Количество резцов большое (от 8 до 15), что обусловлено очень высокой энергией еди­ничного удара пневмоударника. Износ коронок по наружному диа­метру не должен превышать 2—4 мм.

Количество подаваемого воздуха определяет его давление на входе пневмоударника и соответственно его энергетические показатели — энергию и частоту ударов. Минимальный предел подачи воздуха ус­танавливается из условия необходимости обеспечения скорости вос­ходящего потока в призабойной зоне 18—20 м/с и, таким образом, зависит от значений и соотношений диаметров скважины и буриль­ных труб.

В процессе бурения необходимо следить за давлением воздуха на компрессоре, так как снижение давления на 0,1 МПа приводит к уменьшению скорости бурения на 20—25 %. Повышенное давле­ние может быть причиной образования сальников или скопления шлама в скважине. Признаком зашламования скважины является увеличение количества шлама на выходе. В этом случае пневмоударник нужно приподнять от забоя, таким образом блокируя его, и продуть скважину в течение 5—10 мин. При появлении затяжек инструмента, в случае сальникообразования необходимо производить расхажива­ние снаряда при полной подаче воздуха и сблокированном пневмо­ударнике.

Для предотвращения сальникообразования в скважинах с малыми водопритоками (0,1—03 л/мин) необходимо в поток воздуха вводить раствор ПАВ. Расход водного раствора ПАВ, подбираемый в зависи­мости от интенсивности водопритока и условий выноса шламовой пульпы из выкидной линии, не должен превышать 7—8 л/мин для пневмоударника РП-111 и 8—10 л/мин —для РП-130. В качестве ПАВ применяют ОП-7, ОП-Ю и др.; концентрация ПАВ в пресных водах составляет 0,1—0,2%, в рассолах увеличивается до 1,1—1,2%.

Технические характеристики коронок для пневмоударного буре­ния приведены ниже, а конструкция коронок КП-113 и КПС-113 показана на рис. 2.36.

Осевая нагрузка при бурении ударными машинами в твердых поро­дах не играет существенной роли при разрушении горной породы. Она в основном обеспечивает плотный контакт породоразрушающего инструмента с породой с целью более полной передачи энергии ударов. Осевая нагрузка в твердых породах вызывает только упругие дефор­мации. Разрушение породы происходит под действием ударных им-

Технические характеристики коронок типа КПС

Наружный диаметр коронки, мм……………………………………… 151; 132; ИЗ; 96

Внутренний диаметр коронки, мм……………………………………. 16; 16; 12; 9

Масса вставок, кг…………………………………………………………… 0,7; 0,7; 0,5; 0,4

Форма вставок:

периферийных…………………………………………………………… ПР1А/1

промежуточных ……………………………………………………….. ПР1А/2 и ПР1А3

центральных……………………………………………………………… ПР1А/4

Угол заточки вставок, град.:

периферийных………………………………………………………….. 70—75

промежуточных и центральных…………………………………. 110—140

Масса коронки, кг………………………………………………………….. 7; 6; 4; 3

Рис. 2.36. Пневмоударные коронки КП-113 (а), КПС-113 (б):

/ — корпус коронки; 2— кернор — вательная скоба; 3 — периферий­ные твердосплавные вставки фор­мы ПРІА/1; 4 и 5— промежуточ­ные вставки формы ПР1А/2 и ПР1А/3; 6 — центральная вставка формы ПР1А/4

пульсов, и на эффективность разрушения породы большое влияние оказывает энергия ударов. Энергию ударов забойной машины для обеспечения эффективного разрушения горной породы определяют из выражения

Ау>^а у, (2.120)

1= I

п

где Ау — энергия удара, Нм; £ /, — суммарная длина лезвий резцов

; = !

породоразрушающего инструмента, см; ау — удельные затраты энер­гии удара на 1 см лезвия резца, Нм/см.

Потребная удельная энергия удара для пород различной категории буримости ау (Нм/см) зависит от категории породы:

VI—VII — 10; УШ-1Х — 10-15; X-15-20; XI-22-25.

При вращении породоразрушающего инструмента резец успевает проходить какой-то путь 8 между ударами. Величина 8 будет за­висеть от скорости вращения и частоты ударов. Необходимое число ударов резца для разрушения породы на забое за 1 оборот будет равно

где Ар — средний диаметр коронки, мм; 8 —путь перемещения резца между двумя смежными ударами, мм.

Тогда частота вращения породоразрушающего инструмента (с’) равна:

(2.122)

где пу — число ударов в 1 мин.

Для наиболее крепких абразивных пород 8 < 2 мм; в породах сред­ней крепости и абразивности 8 = 7,5-5-8 мм, а в малоабразивных сред­ней крепости породах 8=12-5-13 мм.

Количество очистного агента принимается в соответствии с тех­нической характеристикой забойной машины.

Мощность, развиваемую забойной машиной, определяют фор­мулой

(2.123)

Ым = Апу/60,

где — мощность, развиваемая забойной машиной, Вт; А — энергия единичного удара, Дж.

Количество очистного агента принимается в соответствии с тех­нической характеристикой забойной машины.

Определяющее влияние на скорость бурения забойными машина­ми оказывает давление рабочего агента (воздуха или воды). При по­вышении давления растет как число ударов, так и энергия удара. Однако существует оптимальное давление для каждого типа и диа­метра машины, что определяется проходными сечениями отверстий для рабочего агента.

Рациональные режимы бурения в породах различной буримости и абразивности для разведочных пневмоударников приведены в табл. 2.17, в табл. 2.18 и 2.19 — рациональные режимы ударно-вращательного бурения гидроударниками в породах различного генезиса и категорий по буримости.

Из табл. 2.18 и 2.19 видно, что при увеличении категории пород по буримости и абразивности осевую нагрузку и частоту вращения следует снизить во избежание преждевременного выхода из строя породоразрушающего инструмента.

Таблица 2.17. Режимы бурения с использованием разведочных пневмоударников Свойства породы Осевая нагрузка, Частота вращения (об/мин) в зависимости от частоты ударов пневмоударника, уд/мин КП Крепость Абразивность Трещиноватость 1250 уд/мин 1500 уд/мин 1750 уд/мин Твердые Абразивные Монолитные, 1-1,5 10 10 12-15 трещиноватые 1 10-12 15 15-20 ІХ-ХІ Средней То же 2-3 10-12 15 20 Категории абразивности » 1,5-2 20 25 30 по бури- мости Средней Абразивные 4-5 15-20 20 25-30 твердости 3-4 25 30 35 УІ-УІІІ Средней » 8-10 35-40 40-50 45-70 Категории абразивности по бури- и мало­ » 6-8 60 70-75 80-90 мости абразивные

Таблица 2.18. Режимы бурения для изверженных и метаморфических пород Горные породы Осевая нагрузка, кН Частота вращения, об/мин Породы средней твердости и твердые сред­неабразивные V—VII категорий 8-10 60-70 Те же высокоабразивные 4-5 60-40 Породы твердые малоабразивные VIII—IX категорий 6-8 60-40 Те же среднеабразивные 4-5 30 Те же высокоабразивные 3-4 20

Примечание. Максимально возможный расход очистного агента выбирают в соот­ветствии с технической характеристикой гидроударника.

Таблица 2.19. Режимы бурения для осадочных пород Горные породы Осевая нагрузка, кН Частота вращения, об/мин Алевролиты и слабые песчаники V—VI категорий по буримости 5-7 153-277 Аргиллиты и глинистые сланцы VI—VII категорий 5-6 153 Песчаники VI—VIII категорий по бури­мости 4-5 70-80

Комментарии запрещены.