Ударно-вращательное бурение

Производительность твердосплавного и алмазного бурения значительно повышается при одновременном воздействии на породоразрушающий инструмент осевой нагрузки, крутящего момента и ударных импульсов, создаваемых специальными забойными машинами, которые приводятся в действие энергией потока промывочной жидкости (гидроударники) или сжатого воздуха (пневмоударники).

Гидроударное бурение

Гидроударники применяют для бурения пород V-XII категорий по буримости. Гидроударник включается в снаряд между колонной бурильных труб и колонковым набором. С поверхности через бурильные трубы передается вращение и закачивается промывочная жидкость. На породоразрушающий инструмент создается постоянная нагрузка в соответствии с физико-механическими свойствами буримых пород. По принципу работы гидроударники делятся на три группы: машины прямого, двойного и обратного действия. Наиболее распространены гидроударные машины: Г-59В, Г-76У, Г-76В, ГРЭС-59.
В гидроударниках прямого действия поршень-ударник перемещается вниз и наносит удар по наковальне под действием промывочной жидкости, а в первоначальное положение возвращается под действием пружины сжатия. В высокочастотном гидроударнике прямого действия жидкость распределяется плавающим клапаном.

Для повышения выхода керна при бурении размываемых пород в комплект гидроударных машин включается эжектор. Срыв и удержание керна осуществляются кернорвателем, вмонтированным в нижнюю часть колонковой трубы. При гидроударном бурении применяют коронки, армированные четырьмя или шестью крупными резцами из твердого сплава, устойчивого к ударным нагрузкам.

Производительность гидроударного бурения твердыми сплавами превышает производительность вращательного бурения алмазами в ряде случаев в 1,5 раза.
Практический опыт показал целесообразность применения алмазного бурения в породах высоких категорий буримости с использованием высокочастотных гидроударников.
Снаряд при алмазном бурении ударно-вращательным способом состоит из алмазной однослойной коронки, кернорвателя, колонковой трубы длиной 5-8 м с удлиненной резьбой, износостойкого переходника с колонковой трубы на гидроударник, гидроударника, износостойкого переходника, колонны бурильных труб.
При бурении сильнотрещиноватых пород одинарный колонковый набор заменяется эжекторным или двойным колонковым снарядом с целью повышения выхода керна.

Гидроударное бурение твердосплавными коронками

При подготовке к бурению гидроударными машинами особое внимание следует уделить монтажу нагнетательной магистрали насоса. Нагнетательная магистраль при гидроударном бурении должна выдерживать повышенное давление, а также иметь приспособление для гашения волны гидроудара. В качестве напорного шланга рекомендуется применять рукав высокого давления с внутренним диаметром 38 мм. При бурении гидроударными машинами используют сальники-вертлюги с большими проходными отверстиями и надёжным сальниковым уплотнением.
Смонтированную магистраль опрессовывают на полуторное давление; на насосе устанавливают предохранительный клапан, рассчитанный на рабочее давление плюс 10-15%. В процессе работы напорной магистрали необходимо периодически подтягивать все болтовые соединения.
Перед спуском бурового снаряда в скважину необходимо:

1.  гидроударник отрегулировать по указаниям, приведенным в технической характеристике;
2. калибровочным кольцом тщательно проверить диаметр коронки, при бурении соблюдать строгую очередность в отработке коронок до полного износа, пуская в работу сначала коронки с большим диаметром. Диаметр вновь опускаемой коронки не должен превышать диаметра коронки, бывшей в работе, более чем на 0,2 мм в породах до VIII категории по буримости и 0,1 мм в породах IX категории. В породах более высоких категорий диаметр вновь опускаемой коронки должен быть равен диаметру поднятой из скважины коронки, в противном случае зауженный интервал скважины разбуривают (расширяют);
3. тщательно проверить кольцо кернорвателя, обращая внимание на износ и цельность кольца, его наружный и внутренний диаметры, заход в коронку, износ наплавленного металла.

Спускать колонковый набор необходимо осторожно, предупреждая удары твёрдого сплава об обсадные трубы и уступы в скважине.
До забоя следует доходить медленно с промывкой и вращением. При этом расход промывочной жидкости 120-150 л/мин, осевая нагрузка на коронку 2-3 кН, частота вращения коронки 60-71 об/мИн.
После постановки снаряда на забой на пониженном режиме бурят 10-15 см, а затем задают рациональный технологический режим в соответствии с физико-механическими свойствами пород.

Технология гидроударного бурения твердосплавным породообразующим инструментом

Эффективность гидроударного бурения, в том числе с применением твёрдых сплавов, определяется следующими основными параметрами: частотой и энергией ударов гидроударной машины, частотой вращения бурового снаряда, осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент.
При гидроударном бурении изменились функции промывочной жидкости. Наряду с выносом шлама, охлаждением резцов, поддерживанием устойчивости стенок скважины, промывочная жидкость выполняет ещё одну, очень важную роль, являясь приводом забойной ударной машины. С увеличением расхода промывочной жидкости резко возрастает энергия единичного удара, в результате чего обеспечивается более интенсивное разрушение породы.
Осевая нагрузка при гидроударном бурении пород относительно слабых и средней твёрдости выполняет практически те же функции, что и при вращательном способе бурения, обеспечивая наряду с ударными импульсами заглубление резцов в забое и поддерживая непрерывность процесса резания породы в периоды между ударами.
В более твёрдых породах, разрушение которых при гидроударном бурении осуществляется преимущественно ударным сколом, осевая нагрузка способствует сохранению в процессе бурения постоянного контакта резца с породой, благодаря чему улучшаются условия передачи ударных импульсов и обеспечивается стабильная работа гидроударной машины.

В относительно слабых и малоабразивных породах увеличение осевой нагрузки даёт рост скорости углубления (однако всё же меньший, чем при бурении вращательным способом); в твердых абразивных породах с увеличением осевой нагрузки интенсивно растёт износ породоразрушающего инструмента и, следовательно, резко снижается углубление за рейс. Практически в твёрдых породах рекомендуется уменьшать осевую нагрузку до минимальной величины, зависящей от усилий подачи конкретной конструкции гидроударника.
Ударно-вращательное бурение осуществляется двумя типами гидроударных машин; Г76 с повышенной энергией удара и высокочастотными гидроударниками Г76В и Г59В. Для бурения в породах V-X категорий по буримости рекомендуется восемь типов (специальных) твердосплавных коронок различных типов.

Технология гидроударного бурения алмазным породоразрушающим инструментом

Специальными исследованиями и опытом производственных организаций установлена высокая эффективность применения высокочастотных гидроударных машин (Г76В и Г59В) с твердосплавными и алмазными серийными коронками. При гидроударно-алмазном бурении рекомендуется следующая длина колонковых труб:
Категория пород по буримости - до VIII IX-X XI-XII Длина колонковых труб, м - 6-10 3-6 2-3
Физическая природа процесса, протекающего при гидроударно-алмазном бурении, следующая.
При наложении на алмазную коронку вертикальных ударных импульсов выступающие под торцом коронки участки алмазов внедряются в породу, в результате чего создаются условия всестороннего объёмного сжатия алмазов. При этом прочность алмазов растёт.
При гидроударно-алмазном бурении практически не возникает ззполировки алмазов, подклинок керна в колонковом снаряде в течение всего рейса.

В породах средней твердости наибольшую эффективность дают коронки с крупными алмазами с мягкой или нормальной матрицей. С увеличением твёрдости пород, а также в трещиноватых породах целесообразно применять коронки с твёрдой или очень твёрдой матрицей -импрегнированные коронки.
На забой необходимо подавать пониженное количество жидкости в соответствии с требованиями алмазного бурения: при диаметре 76 мм - 25-80 л/мин, при диаметре 59 мм - 20-60 л/мин.
Уменьшение количества поступающей на забой промывочной жидкости достигается сверлением в корпусе кернорвателя отверстия диаметром 6-8 мм или применением специального делителя потока.

Для перекрепления патронов буровой снаряд необходимо приподнять от забоя лебёдкой станка до прекращения работы гидроударника, насос при этом продолжает работать. Подъём снаряда от забоя должен быть не более 30-40 мм, так как при большем подъёме возможен срыв керна коническим кернорвателем.
При перекреплении патронов оставлять снаряд на забое нельзя, так как резцы невращающейся коронки под действием гидроударника углубятся на некоторую величину, и при возобновлении вращения могут быть сломаны или произойдёт обрыв снаряда.

Для срыва керна включают вращение снаряда и поднимают его на 0,5 м от забоя. Керн срывается специальными пружинами кернорвателя, монтируемыми в расточке нижнего конца колонковой трубы. Для проверки взятия керна, не включая насос, опускают снаряд, не доводя его до забоя на 10-20 см. Если снаряд спускается, не задерживаясь, то керн взят. Если обнаружится, что керн не взят, то необходимо на пониженном режиме дойти по керну до забоя, углубиться на 10-20 см и повторить срыв керна.

Запрещается накапливать шлам в скважине свыше 1 м, в противном случае надо проводить чистку призабойной зоны снарядом со шламовой трубой или специальную промывку скважины.
При обвалах доходят до забоя обычно буровым снарядом с твердосплавной коронкой.
При подходе к забою с гидроударником на пониженных режимах давление на манометре насоса должно быть 1,0 - 1,5 МПа. При падении давления ниже 1,0 МПа необходимо проверить насос, а при его исправности сменить манжеты гидроударника.
Если гидроударник прекратил работу (перестал стучать), а режим бурения в это время не менялся и углубка идёт нормально, это значит, что коронка вошла в мягкую породу. Если же гидроударник перестал стучать при прежнем режиме бурения, а углубка не наблюдается, то надо сменить гидроударник.
При бурении в сильнотрещиноватых и твёрдых породах возможны поломки твердосплавных резцов породоразрушающего инструмента. В этом случае скважину необходимо очистить от кусков твёрдого сплава, для чего опускают специальную ловушку или приспособление для забурки на забое кармана малого диаметра. Кусочки твердого сплава собираются в этом кармане. Опускают алмазную коронку, бурят ею 300-400 мм и извлекают керн, внутри которого находится карман с твердосплавными резцами.

Гидроударно-эжекторное бурение

Гидроударно-эжекторное бурение основано на сочетании одновременного использования гидроударных забойных буровых машин и эжекторных снарядов. При этом способе бурения в результате воздействия ударных импульсов резко сокращаются случаи подклинок керна и прижога породоразрушающего инструмента, вместе с тем увеличивается длина рейса и выход керна.

Рациональные режимы гидроударно-эжекторного бурения практически не отличаются от принятых в определенных горнотехнических условиях при обычном гидроударном бурении с прямой промывкой скважины. Однако есть некоторые особенности и различия.
При гидроударно-эжекторном бурении установка инструмента на забой осуществляется медленно с вращением и подачей промывочной жидкости во избежание зашламования снаряда. Перед началом бурения скважину следует тщательно промыть, в дальнейшем шлам удаляется эжекторными снарядами.
В интенсивно трещиноватых и раздробленных породах следует бурить при минимальной частоте вращения снаряда, чтобы избежать микроподклинок, а при бурении пластичных и вязких пород следует увеличивать частоту вращения, осевую нагрузку снижать до минимума (1,0 - 3,0 кН) и чаще расхаживать снаряд для предупреждения образования пробок.

В случае прекращения подачи в скважину промывочной жидкости необходимо поднять буровой снаряд, так как резко возрастает опасность преждевременного заклинивания керна и прижога породоразрушающего инструмента.

Пневмоударное бурение.

Пневмоударники успешно применяются при бурении разведочных скважин с поверхности, при бурении из подземных выработок, при проходке взрывных и другого назначения скважин в породах VII-XII категорий по буримости. Наиболее целесообразно использование пневмоударников для бурения твердых необ-водненных пород, толщ многолетней мерзлоты, в высокогорных и пустынных районах, а также в условиях поглощения промывочной жидкости. Пневмоударники могут применяться с различными буровыми установками колонкового бурения, например, МБУ-1, УРБ-2А-2 и др. Для бурения геологоразведочных скважин в настоящее время используются пневмоударники типа ПН диаметром 16, 93, 112 и 132 мм, коронки твердосплавные, одинарные колонковые трубы - ТП, двойные колонковые трубы ТДП. Для бурения без отбора керна применяются долота ДП.
Для смягчения ударных импульсов, доходящих при небольших глубинах скважины до бурового станка, над пневмоударником устанавливается упругая муфта. Конструкции пневмоударников обеспечивают использование сжатого воздуха в широком диапазоне давлений (от 0,6 до 2,5 МПа); максимальную ударную мощность для каждого диапазона применяемого давления воздуха; возможность бурения более глубоких и обводнённых скважин; возможность бурения с низкой частотой (1000-1200 мин) и высокой энергией удара (для твёрдых пород) или высокой частотой (1800-2000 мин) и сниженной энергией удара (для пород средней твёрдости и трещиноватых).

Основная часть энергии сжатого воздуха погружных пневмоударников расходуется на привод ударного механизма. Оставшаяся часть идёт на продувку забоя скважины для выноса выбуренной породы на поверхность.
В процессе бурения нередко крупные частицы шлама не выносятся на поверхность. Для их улавливания рекомендуется включать в буровой снаряд шламовую трубу.

При пневмоударном бурении основными параметрами технологического режима бурения являются: осевая нагрузка, частота вращения бурового снаряда, частота ударов пневмоударника, которая определяется как функция давления подаваемого в скважину сжатого воздуха и его расхода в единицу времени.
Величина давления воздуха в процессе бурения должна сохраняться постоянной или изменяться незначительно. Резкое повышение давления в нагнетательной линии с одновременным прекращением выноса пыли говорит о нарушении циркуляции воздуха, Это может быть вызвано полным заполнением керном колонковой трубы, образованием ледяных пробок в бурильных трубах либо шламового сальника в стволе скважины. В этом случае необходимо вместе с воздухом подавать в скважину 0,5-2% раствор поверхностно-активных веществ (ПАВ) в количестве 2-5 литров в минуту, либо прекращать бурение и принимать другие меры по восстановлению циркуляции воздушного потока. Расход воздуха определяет степень очистки забоя и скважины в целом от шлама и интенсивность охлаждения породоразрушаюшего инструмента.

Минимальная скорость восходящей воздушной струи, обеспечивающей эффективную очистку скважины, составляет 15-25 м/с, при размере выбуренных частиц породы до 8 мм необходимая скорость потока возрастает в два раза. В мягких породах часто происходит зашламовывание каналов породоразрушающего инструмента, в связи с чем необходимо осевую нагрузку снижать до минимально возможной.

Частота вращения снаряда зависит от физико-механических свойств буримых пород и частоты ударов пневмоударника. Путь пробега резца коронки по забою скважины между ударами в твёрдых абразивных породах должен составлять менее 2 мм, в породах средней твёрдости и абразивности 7,5-8 мм, а в малоабразивных средней твёрдости -12-13 мм. При возрастании степени трещиноватости пород частоту вращения необходимо увеличивать в 1,5-1,7 раза.