Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Ударно-вращательное бурение — высокопроизводительный способ проведения разведочных скважин. Оно применяется на буровых установках колонкового бурения. Для его осуществле­ния в буровой снаряд между колонковой трубой и нижним концом бурильной колонны включается забойная машина ударного действия. Машина, работающая на промывочной жидкости, называется гидроударником. Машина, которая при­водится в действие сжатым воздухом, получила название пнев­моударника.

При ударно-врагдательггом бурении к породоразрушающему инструменту, прижимаемому к породе на забое осевой нагрузкой Р и вращающемуся с некоторой частотой п, периодически под­водятся ударные силовые импульсы с частотой ударов забой­ной машны Пу^п. Ударник машины производит удары по нако­вальне, жестко связанной с колонковой трубой. Энергия ударов от забойной машины поступает к пороразрушающему инстру­менту через колонковую трубу в форме импульсов упругой волны напряжений сжатия, образующихся в теле трубы. При передаче импульсов энергии от резцов горной породе послед­няя подвергается силовому воздействию динамического харак­тера, которое или вызывает объемное разрушение породы или же повышает глубину внедрения резцов, обусловленную дейст­вием осевой нагрузки Р. Здесь следует отметить, что при буре­нии очень твердых пород осевая нагрузка необходима для создания плотного контакта резцов с породой, чтобы предотвра­тить отскок резцов от породы после ударов и произвести пред­варительное упругое сжатие породы. Объемное разрушение породы происходит под действием ударных импульсов, возни­кающих на резцах. Вращение инструмента обеспечивает разру­шение породы на всей площади забоя.

При бурении пород средней твердости резцы пластически внедрены в породу под действием осевой нагрузки Р, имеющей статический характер. Приложение ударных импульсов к поро­доразрушающему инструменту увеличивает глубину внедрения резцов.

В общем случае разрушение породы при ударно-вращатель­ном бурении производится при совместном действии на нее трех усилий, передаваемых через резцы: усилия резания от приложенного к породоразрушающему инструменту вращаю­щего момента, осевой нагрузки и ударных импульсов. Совмест­ное действие трех усилий на горную породу обеспечивает ее эф­фективное разрушение, что повышает механическую скорость бурения. Областью применения ударно-вращательного бурения являются твердые горные породы VI—XI категорий по бури — мости.

Бурение гидроударниками

Действие гидроударника основано на использовании извест­ного физического явления — гидравлического удара в трубах. При внезапном перекрытии пути движения рабочей жидкости в области, прилегающей к месту перекрытия, в жидкости воз­никает аномальное высокое давление, обусловленное действием сил инерции. Это давление используется для перемещения пор­шня забойной машины с нанесением удара по наковальне.

Конструкции гидроударников различны. Известны гидро­ударники прямого, обратного, двойного действия н др. В гидро­ударниках прямого действия повышение давления рабочей жидкости, вызванное гидравлическим ударом, используется для перемещения поршня к наковальне, жестко связанной с ко­лонковой трубой и нанесения удара по ней. Так производится прямой (рабочий) ход поршня (бойка). За время рабочего хода поршень сжимает возвратную цилиндрическую пружину, которая при снижении давления жидкости в гидроударнике возвращает поршень в исходное положение.

В гидроударнике обратного действия высокое давление жидкости при гидроударе используется для поднятия массив­ного поршня машины и сжатия рабочей пружины. Когда дей­ствие гидроудара прекращается и рабочая жидкость удаля­ется из-под поршня, поршень под действием силы собствен­ного веса и силы разжатия пружины наносит удар по нако1 вальне.

В гидроударнике двойного действия пружины отсутствуют. Здесь давление при гидроударе используется для привода пор­шня при прямом и обратном его ходе.

При разведочном бурении широкое распространение нашли гидроударники прямого действия, разработанные во ВПО «Союзгеотехника». Они просты по устройству и надежны в ра­боте.

На рис. 6.16 изображен гидроударник Г-9, предназначенный для бурения скважин диаметром 59 мм. Гидроударник выпол­нен по схеме прямого действия и работает следующим образом. В подвешенном над забоем положении шлицевой разъем 7 рас­крыт. В это время между клапаном 2 и поршнем 4 образуется щель. Через нее свободно проходит рабочая жидкость, в каче­стве которой может быть техническая вода или глинистый ра­створ. При постановке гидроударника на забой шлицевой разъем закрыт, поршень под действием пружины поднимается до контакта с клапаном и поток жидкости перекрывается. Вслед за этим возникает гидравлический удар. Под действием высокого давления над клапаном происходит движение системы клапан—поршень. Клапан 2 доходит до ограничителя цилиндра и останавливается, а поршень 4 по инерции продолжает дви­жение и производит удар по насадке шлицевого разъема (на­ковальне). В это время рабочая жидкость свободно проходит через машину. В результате отскока н под действием сжатой при прямом ходе поршня пружины поршень возвращается в ис­ходное положение. Далее рабочий цикл повторяется.

К гидроударнику Г-9 придается колонковый набор, колон­ковая труба которого имеет диаметр 54 мм и толщину стенки

5,5 мм. Кернователь в наборе цангового типа. Он выполнен аналогично серийным кернователям марок К115Ц, К96Ц и К76Ц.

Между гидроударником и колонковой трубой предусмотрена возможность включения эжектора СЖ90, который обеспечивает повышение выхода керна при бурении трещиноватых пород. При бурений гидроударником Г-9 применяется твердо

59 мм марки ГПИ-126М (рис. 6.17). Она содержит че­тыре резца из твердого сплава ВК-15. Для ловли сколотых в скважине резцов коронки в комплект технических средств гидроударника Г-9 входит ловушка Л-59.

Бурение нородоразрушаю — щими инструментами диамет­ром 76 и 93 мм производится гидроударником Г-7. Он кон­структивно отличается от гид­роударника Г-9 тем, что снаб­жен понизителем расхода ра­бочей жидкости. Понизитель расхода представляет собой автоматическую задвижку, почти полностью закрываю­щую проходное отверстие при

сплавная коронка диаметром

Рис. 6.16. Гидроударник Г-9:

/ — пружина клапана; 2— клапан; 3 — корпус гидроударника; 4 — поршень; 5 — боек; 6 — возвратная пружина; 7 — шли­цевой разъем

Рис. 6.17. Коронка ГПИ-126М

прямом и обратном ходе поршня. Такое конструктивное реше­ние приводит к двукратному снижению расхода промывочной жидкости и накоплению энергии в трубопроводе во время об­ратного хода поршня. Это сохраняет или даже увеличивает за­бойную мощность при повышении перепада давления на ма­шине в 2,0—2,5 раза. Когда применяется понизитель расхода, то эжектором не пользуются. Гидроударник Г-7 снабжен твер­досплавной коронкой ГПИ-74МВ. Гидроударники Г-9 и Г-7 ра­ботают на технической воде с расходами 120—160 и 180— 220 л/мин соответственно. Эти машины развивают энергию еди­ничного удара 50—60, 60—70 Н-м, при частоте ударов 1000— 1200 в минуту.

Аналогичные им по конструкции гидроударникн марки ГВ-6 и ГВ-5 при тех же расходах рабочей жидкости, в качестве ко­торой может быть техническая вода или глинистый раствор, имеют частоту ударов 3000—3600 в минуту и поэтому называ­ются высокочастотными. Энергия удара у гидроударника ГВ-6 равна 5 Н-м, а у гидроударника ГВ-5—10—15 Н-м. Эти ма­шины работают с серийными твердосплавными и алмазными коронками. Они включаются в буровой снаряд над колонковым набором и служат для интенсификации процесса разрушения горной породы на забое и повышения углубления за рейс при твердосплавном и алмазном вращательном колонковом буре­нии.

Техническая характеристика гидроударников

1.5 5

Г-9 Г-7 59 76 и 93 54 70 Техническая вода

Тип гидроудариика Диаметр коронки, мм Диаметр корпуса, мм Рабочая жидкость. .

Расход жидкости, л/мин

Перепад давления в машине, МПа. . . Энергия единичного удара, Н-м…. Частота ударов,

удар/мин………………..

Тип коронки. . .

120—160

1,2—2,0

50—60

1000

ГПН-126М

180—220

или

100—1200

1,5 или 3,0

60—70

1200

ГПН-74МВ

ГВ-5 ГВ-6

76 и 93 59 и 76

73 54

Техническая вода и глинистый раствор

130—150 120—150

1,0—1,5 10—15

2800—3600 3000

Серийные твердосплав­ные и алмазные коронки

В ближайшее время взамен выше рассмотренных гидроудар­ников будут производиться новые унифицированные машины, обеспечивающие возможность, работы в двух режимах: удар­ном У и высокочастотном В. Конструкции ударного и высоко­частотного вариантов машин идентичны и отличаются только регулировкой, что позволяет организовать рациональную тех­нологию бурения.

Технологический режим гидроударного бурения

При гидроударном бурении очень твердых горных пород глубина внедрения резцов в породу, обусловленная действием осевой нагрузки, настолько мала, что она численно равна ве­личине упругой деформации породы при ее сжатии. В этом случае в процессе бурения преобладает ударное разрушение горных пород, что позволяет аналитически определить частоту вращения породоразрушающего инструмента, используя для этого теорию ударно-поворотного бурения. При указанном ус­ловии необходимое число ударов резца для разрушения породы на забое на длине лД:р будет

т0=^. (6.1)

где ЛГр — средний диаметр коронки; 6 — путь перемещения пезпа по окружности между двумя смежными ударами.

Тогда частота вращения породоразрушающего инструмента определяется так:

п = = — Пуоб/мин. (6.2)

/72|р ЗТ/^ср

Если учтем, что величина 5 обратно пропорциональна глу­бине внедрения резца, а последняя обратно пропорциональна твердости породы, то формулу (6.2) можно записать в следую­щем виде:

11 —— 10Лу, об/мин,

^срРш

где рш — твердость, МПа.

При определении осевой нагрузки на забой используется следующее соотношение:

Ау^^йу, (6.3)

где Ау — энергия удара забойной машины, Н*м; 2/р — сум­марная длина лезвий резцов породоразрушающего инстру­мента, см; оу — необходимые затраты энергии удара для дан­ной породы на 1 см длины лезвия резца, Н • м/см.

Величину ау для ударного режима работы пневмоударника можно принимать из следующих данных:

Категория горных пород по

буримости……………………… VI—VII VIII—IX X XI

ау, Н-м/см……………………… . 10 10—15 15—20 22—25

Количество промывочной жидкости принимается в соответ­ствии с паспортом машины.

Гидроударники успешно применяются при бурении разве­дочных скважин на ряде месторождений. Применение их при бурении на месторождениях полезных ископаемых со сложным геологическим строением обеспечивает зна­чительное уменьшение искривления скважин.

С этой целью нижнюю часть бурового сна­ряда собирают в виде стабилизированной компановки, состоящей из гидроударника с кожухами жесткости в местах шлицевых разъемов.

В настоящее время с применением гидро­ударников бурят скважины глубиной 600—

800 м. В перспективе оно может применяться и для бурения более глубоких скважин —

1500—2000 м. ц

Бурение скважин пневмоударниками

Бурение скважин пневмоударниками на­шло применение в безводных, пустынных и высокогорных районах, в толщах многолет­ней мерзлоты, при разведке россыпных мес­торождений и в ряде других случаев, напри­мер, при катастрофических поглощениях про­мывочной жидкости, наблюдаемых при ко­лонковом бурении.

Рис. 6.18. Коронка КП. Вставки твердого сплава: 1 — периферийные; 2 — косые; 3 — центральные Рис. 6.19. Разведочный ппевмоудариик РП-133А: 1 — верхний переходник; 2 — резиновый амортизатор; 3 — кла­пан мотылькового типа; 4 — клапанная коробка; 5 — корпус; 6 — поршень-ударник; 7 — хвостовик; в —букса; 9 — шлицевая втулка; 10—шлицевая муфта; // — нижний переходник; )2 — обратный клапан; 13 — колонковая труба; 14 — буровая корон­ка; 15 —- цилиндр; а — выхлопные отверстия; б — блокировоч­ное отверстие

-ш

Работа пневмоударника основана на использовании энергии сжатого воздуха. Для бурения геологоразведочных скважин в ЦНИГРИ под руководством И. В. Куликова разработаны специальные конструкции пневмоударников для бурения сква­жин коронками диаметром 96, 113 и 133 мм.

Техническая характеристика пневмоударников

Тип пневмоударников…………………… РП-96 РП-111 РП-133А

TOC o "1-5" h z Диаметр коронки, мм……………………………. 96 113 133

Диаметр керна, мм………………………………… 64 102—80 89

Диаметр корпуса, мм…………………………….. 89 102 131

Энергия единичного удара, Н-м. . . 90 140 200—320

Частота ударов в мину. ту……………………….. 1400 1200 1200

Давление воздуха, МПа…………………………. 0,5 5,7—0,8 0,6—0,7

Расход воздуха, м8/мин…………………………. 5 50 65

Масса пневмоударника, кг. 40 50 60

Длина пневмоударника, м…… 0,96 1,080 1,300

Пневмоударники обладают очень высокой энергией единич­ного удара. Поэтому для пневмоударников разработаны ко­ронки с большим числом резцов (рис. 6.18). Сравнительно низкое давление воздуха, при котором работают пневмоудар­ники, ограничивает глубину их применения: они рассчитаны на бурение скважин глубиной не более 300—500 м.

На рис. 6.19 показан разведочный пневмоударник РП-133А.

Технология пневмоударного бурения

Буровые коронки для пневмоударного бурения снабжаются крупными резцами из вязкого твердого сплава ВК-15, ВК-8В. Через пневмоударник должно проходить такое количество воз­духа, которое обеспечивало бы совершенную очистку забоя и необходимое охлаждение породоразрушающего инструмента. При бурении нужно следить за герметичностью пневмоудар — ника и исправностью работы обратного клапана, через который производится выхлоп отработанного воздуха.

Методика выбора режимных параметров процесса буре­ния—осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и частоты вращения, изложенная для гидроударного бурения, применима к пневмоударному бурению. Частота вращения мо­жет быть вычислена по формуле (6.2), а осевая нагрузка оп­ределена с учетом выражения (6.3). С целью увеличения пол­ной проходки на породоразрушающий инструмент (коронку, до­лото) при бурении твердых абразивных пород осевую нагрузку ограничивают значениями 300—400 даН. В породах средней твердости осевую нагрузку принимают 600—800 даН.

Бурение пневмоударниками в сухих скважинах не вызывает затруднений. В скважинах с малыми водопрнтоками бурение ведется с применением ПАВ, предотвращающих образование
сальников на бурильных трубах и налипание шлама на стенки скважины. При значительных водонрнтоках в скважину (20— 30 л/мин) вода удаляется из нее в результате эрлифтного эф­фекта, вынося шлам. Если подачи компрессора недостаточно, то в состав буровой колонны включаются муфты с пусковыми отверстиями или пусковые клапаны.

При бурении погружными пневмоударниками используется следующее " дополнительное оборудование: узел регулирования расхода воздуха с измерительными приборами, магистральная масленка для смазки пневмоудариика при его работе, гермети­зирующее устройство на устье скважины, выкидная труба с вен­тилятором для отсоса воздуха, обогащенного шламом.

Для разведки россыпных месторождений ЦНИГРИ разра­ботал комплекты технических средств пневмоударного бурения скважин большого диаметра с отбором керна (КПР). Пробу­ренные ими скважины заменяют скважины малопроизводитель­ного ударно-канагного бурения. Они также могут заменять заверочные шурфы, проходимые при разведке россыпей удар­но-канатным бурением. Кроме того, КПР используются при разведке и опробовании глубокозалегающих россыпей.

Технология бурения с применением КПР изложена в соот­ветствующей инструкции.

КПР-161 КПР-184 КПР-216 161 184 216 115 140 170 300 300 300 8—10 8—10 8—10 6,5 6,5 6,5 0,6—0,7 0,6—0,7 0,6—0,7 400 400 400

Техническая характеристика КПР

Типы комплектов…………………….. . .

Диаметр скважины, мм…………………….

Диаметр керна, мм………………………….

Глубина бурения в сухих и мерзлых по­родах, м

Общий расход воздуха, м8/мин. . .

Расход воздуха на работу пневмоудар

ника, м8/мин…………………………………..

Давление воздуха, МПа…………………..

Ресурс работы пневмоудариика, ч

Комментарии запрещены.