Ударно-механическое бурение

Ударно-механическое бурение разделяется на два основных вида: штанговое и канатное. Однако на практике применяется почти исключительно канатное бурение по следующим причинам: все канатное оборудование, в том числе и станок, легче штангового; на канате быстрее проводятся спуско-подъемные операции; не требуется организация промывки забоя, исключается высокая аварийность при работе со штангами. Поэтому в рассмотрении упор сделаем на канатное бурение.

Ударно-механическое канатное (т. е. без промывки) бурение применяется в следующих случаях:

1) при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, когда бурение ведется с целью точного опробования россыпи в осложненных геологических условиях;

2) при проходке галечников и валунных отложений, когда другие виды бурения в таких условиях дают весьма низкую производи-тельность;

3) при разведке малодебитных безнапорных водоносных горизонтов, ибо при бурении с промывкой их легко пропустить;

4) при разведке нефтяных и газовых с малым пластовым давлением месторождений (по указанным выше причинам);

5) в условиях, когда требуется проходка скважин большого диаметра и без промывки;

6) при разведке в безводной местности;

7) при разработке открытым способом месторождений полезных ископаемых, когда проходятся скважины-шпуры диаметром до 300 мм для закладки больших количеств ВВ (взрывчатых веществ).

Буровые станки

В каждом станке для канатного ударно-механического бурения имеются следующие узлы: 1) главный или трансмиссионный вал, получающий вращение от двигателя и передающий вращение другим узлам; 2) долбежный вал (ударный механизм) с оттяжным роликом; 3) инструментальный барабан (подъемный механизм); 4) желоночный барабан.

Передача движения от главного вала осуществляется или зубчатыми шестернями, или фрикционными колесами.

Движение от двигателя внутреннего сгорания или электродвигателя главному валу производится плоскоременной или клиноременной передачей.

Станки изготовляются передвижными и самоходными, на колесном или гусеничном ходу, а также на шасси автомашины. Для спуско-подъем-
ных операций станки имеют мачту.

По системе ударного механизма станки разделяются на балансирные и безбалансирные, работающие по принципу оттяжки.

Ударный снаряд подвешивается на канате, который через головной ролик (на мачте), оттяжной ролик (на кривошипно-шатунном механизме) и направляющий ролик (на оттяжной раме) идет к инструментальному барабану.

Снаряд при долблении поднимается и сбрасывается при помощи оттяжного механизма, который состоит из оттяжной рамы и кривошипно-шатунного механизма.

По мере углубления скважины бурильный канат стравливается с инструментального барабана, осуществляя подачу долота.

Периодически осуществляют чистку забоя желонкой, спускаемой на желоночном канате с желоночного барабана.

Чтобы получить скважину круглого сечения, необходимо после каждого удара инструмент (долото) поворачивать

Если в разрезе есть неустойчивые породы, стенки скважин закрепляют колонной обсадных труб. Тяжелые комплекты труб спускают в скважину с трубного (талевого) барабана (есть на ударно-канатных станках тяжелого и среднего типов)

Кроме того, станок часто имеет ручную или механическую лебедку для подъема и опускания мачты. Мачта при перевозках станка кладется в горизонтальное положение.

На буровых работах применяются следующие канатные станки:
УА-75, «Уралец» БУ-1, БУ-20-2, УКС-20. УКС-22, УКС-30 и др.

Ударно-канатные станки имеют примерно следующую основную характеристику: число ударов 40–60 в минуту, ход инструмента (высота подъема) 50–110 см; путем перестановки пальца кривошипа можно изменять ход инструмента.

Станок БУ-20-2 (самоходный), имеющий значительное распространение, имеет следующие характеристики:

· предназначен для бурения скважин начальным диаметром до 300 мм, глубиной – до 300 м;

· вес бурового снаряда 1300 кг;

· высота подъема над забоем –0,45–1,1 м;

· число ударов – 56 в минуту;

· высота мачты 11,6 м;

· вес станка 11,1 т.

Буровой инструмент

Долота предназначены для разрушения породы при ударах по забою. Различают следующие типы долот:

1) тяжелое желобчатое долото, предназначаемое для бурения в крепких породах; во избежание заклинки диаметр лезвия должен быть больше диаметра тела долота;

2) облегченное долото (от предыдущего отличается только меньшей высотой и толщиной и, следовательно, меньшим весом);

3) округляющее или проверочное долото – применяется для обработки скважин с целью уничтожения всех пропусков и неровностей на стенках затрудняющих в дальнейшем спуск в скважину обсадных труб;

4) крестовые долота – применяются при бурении в неоднородных и трещиноватых породах.

Долота изготавливаются из качественной углеродистой стали с содержанием углерода около 0,70 %. Наилучших результатов можно достичь при использовании долот из стали марки 60-С2; долота из легированных сталей не выдерживают частых заправок. Вместо кованых могут с успехом применяться литые долота.

Лезвию долота придается надлежащая форма, и оно закаливается; угол приострения (заправки) лезвия 75–120°, округляющих долот – до 140°. Чем крепче порода, тем более тупой угол должно иметь лезвие.

Ударная штанга представляет собой массивный цилиндр, на нижнем конце которого имеется внутренняя остроугольная резьба под долото, а на верхнем конце – внешняя резьба под канатный замок при канатном бурении и под переходник с ударной штанги на рабочие штанги при штанговом бурении. На обоих концах штанги имеются квадраты под инструментальные ключи. Ударная штанга предназначается для увеличения веса (массы) инструмента, воздействующего на забой. Диаметр ударной штанги обычно равен 0,7 диаметра долота Длина ударных штанг 1,5; 3; 4,5 и 6 м. Чем крепче порода, тем более длинная и тяжелая рекомендуется ударная штанга.

В состав бурового снаряда при проходке с ходовой колонной обсадных труб входит часто расширитель.

Расширитель включается между долотом и ударной штангой. При вводе в обсадные трубы резцы сжимают. При выходе ниже башмака резцы расширителя под действием пружины расходятся и при бурении расширяют скважину, поэтому обсадные трубы легче опускаются.

Ножницы, или яссы, при канатном бурении служат для выбивания инструмента из забоя, для облегчения работы станка и двигателя и для увеличения эффекта удара долота. Ножницы состоят из двух удлиненных звеньев и соединяются между собой, как звенья цепи. На верхнем конце верхнего звена имеется головка с резьбой для соединения с канатным замком; нижний конец звена заканчивается внутренней резьбой под ударную штангу.

Ножницы применяются двух видов: рабочие с расходом 150–250 мм и ловильные с расходом 450–1000 мм.

Изготовляются ножницы путем поковки или литьем.

Канатный замок или ропсакет служит для соединения ножниц (или ударной штанги) с инструментальным канатом. Замок представляет собой цилиндрическое тело, сужающееся кверху и оканчивающееся цилиндром меньшего диаметра. Внизу замка имеется внутренняя нарезка под буровой инструмент, а вверху – отверстие, расширяющееся книзу; в этом отверстии и закрепляется канат.

Как замок, так и ножницы и ударная штанга на шейках резьбы имеют квадратные вырезы под инструментальные ключи.

В качестве инструментального каната применяется стальной канат, свитый из шести прядей вокруг центрального органического сердечника. Диаметр каната 19–25 мм.

Инструментальные ключи служат для прочного соединения бурового инструмента (долота, ударной штанги, ножниц замка).

Для более сильного закрепления резьбы применяют цепные рычаги и специальные трещотки.

Цепной рычаг снабжается двумя кусками цепей, которые одним концом прикреплены к рычагу, а вторым – к вилкам инструментальных ключей во время соединения снаряда.

Трещотка применяется для тех же целей, что и цепной рычаг, только для соединения инструментов большого диаметра (более 8")[2].

Долотами только разрушают породу на забое, но не поднимают на поверхность. Эту операцию выполняют с помощью желонок, представляющих собой полую трубу, на нижнем конце которой закреплен башмак с клапаном. Желонки для чистки скважины при работе долотом без промывки применяются с плоскими, шаровыми, тарельчатыми и полусферическими клапанами; для проходки плывунов используются поршневые желонки.

Желонки могут быть использованы в качестве проходческого инструмента, например по пескам, гравийно-песчаниковым отложениям, плывунам.

Процесс бурения

Последовательность операций при сооружении скважины ударно-механическими станками обычно такова: на месте заложения скважины подготовляется площадка (иногда проходится небольшой шурф-приямок), на площадке устанавливается буровой станок, колеса его раскрепляются колодками. Далее поднимается мачта. После этого собирают буровой инструмент в такой последовательности (снизу вверх): на долото навинчивается ударная штанга, на последнюю ножницы и, наконец, канатный замок.

Собранный снаряд опускают в скважину и ставят долото на забой; оснастка каната должна быть следующей: канат от замка огибает верхний блок мачты или вышки, далее идет под оттяжной ролик и, огибая направляющий ролик, идет к барабану.

Натяжка каната должна быть такой, чтобы при верхнем положении оттяжного ролика долото только слегка касалось забоя. На канате, идущем из скважины, крепится поворотный хомут. Далее пускается в ход двигатель и главный вал, от главного вала – долбежный механизм. После каждого удара долото поворачивается.

После углубки на 30–50 см бурение прекращается, инструмент поднимается на поверхность, и в скважину опускается желонка; после чистки скважины в нее подливается вода и снова приступают к бурению.

Скорость проходки при ударном бурении зависит oт веса снаряда, высоты подъема инструмента и числа ударов. Высота подъема долота обычно находится в пределах 500–1000 мм. Число ударов при малых глубинах скважины достигает 50–60 в минуту; по мере углубки скважины число ударов снижается до 30 в минуту. Число ударов зависит также от величины хода инструмента и плотности шлама. Чем больше ход инструмента, тем больше время его падения, и тем меньше должно быть число ударов. При глубоком бурении и большой длине достаточно эластичного каната он может подхватывать долото раньше, чем последнее успеет ударить о забой, что резко снижает силу удара.

В случае проходки пород, в которых сильно увязает долото, над ножницами ставят вторую ударную (выбивную) штангу.

По буримости при ударно-механическом способе бурения породы разбиты на семь категорий. Скорость проходки в час чистого бурения в зависимости от крепости пород варьирует от 0,05 до 7 м.

8.3. Шнековое и вибрационное
бурение

Шнековое бурение применяют в основном для бурения сейсмических скважин. Шнековое бурение производится без промывки забоя. Порода, разбуренная лопастным долотом типа РХ, попадает на шнек (шнек представляет собой буровые трубы с навитой на них спиралью из полос тонкой стали), который транспортирует ее на поверхность. Поскольку диаметр шнека меньше диаметра долота, шлам, направляясь вверх и тесно соприкасаясь со стенками скважины, частично проскальзывает вниз; шнеки втирают разрыхленную породу в стенки скважины, и таким образом скважина плотно штукатурится. Основной недостаток шнекового бурения – трудность бурения твердых пород, а также скважин глубиной более 100 м.

Вибрационное бурение с использованием вибромолота, расположенного на поверхности (на оголовке бурильной колонны) применимо в мягких породах до IV категории буримости на относительно небольшую глубину (до 15–20 м) для погружения и извлечения зондов, обычно при инженерно-геологических исследованиях.

Забойные вибраторы гидравлического действия, действующие от потока промывочной жидкости, создают вибрацию, которая передается долоту. Порода разрушается под действием ударов долота по забою. Кроме вибраций, долоту может передаваться вращение. Оно осуществляется путем вращения бурильных труб с поверхности. В этом случае получается комбинация ударного и вращательного способов бурения. Для бурения скважин применяются также различные гидро- и пневмоударные механизмы, в этом случае говорят о бурении гидро- и пневмоударниками, пневмопробойниками и т. д.

9. бурение скважин на воду

При проходке скважин на воду могут применяться любые из рассмотренных выше видов бурения. Поэтому ниже излагаются специфические требования к гидрогеологическим и водозаборным скважинам и особенности их проведения.

В зависимости от того, где будет использоваться вода, к ней предъявляются те или иные требования. Так, подземные воды, используемые для водоснабжения и орошения, питьевые воды не должны содержать в растворенном виде заметного количества солей различных элементов. С другой стороны, воды со значительным содержанием таких элементов, как радий, йод, бром и др., могут служить источником добычи этих элементов. Подземные минеральные воды являются одним из важных лечебных средств. Горячие и перегретые воды находят применение для теплофикации городов, обогревания теплиц, для выработки электроэнергии.

Однако не всегда наличие подземных вод является положительным фактором. В ряде случаев они весьма осложняют строительство гидротехнических сооружений, проходку горных выработок, эксплуатационные работы: прорывы вод в горные выработки влекут за собой катастрофические последствия. Поэтому на сильно обводненных месторождениях до начала горных работ проводят дорогостоящие мероприятия по снижению напора подземных вод и по предотвращению обводнения горных выработок.

9.1. Особенности бурения скважин
на воду