Шарошечное бурение скважин

Станки шарошечного бурения по принципу действия относятся к вращательным, но разрушение породы в забое скважины происходит в результате раздавливания в местах контакта по­верхностного слоя с зубьями головки рабочего органа станка — шарош­ки. Шарошка привинчивается на буровой став трубчатых штанг.

Очистка скважины от буровой мелочи и охлаждение шарошек про­изводится продувкой сжатым воздухом, подаваемым к шарошке по по­лостям буровых штанг. Продукты бурения улавливаются специальными устройствами, установленными на станке. Станки могут бурить верти­кальные и наклонные скважины диаметром от 150 до 320 мм.

Давление на забой зависит от веса станка. Оно передается от станка через вращатель буровой штанги.

Для бурения крепких пород сf> 14 эффективно применение станков тяжелого типа, для бурения пород сf< 10 - среднего и легкого.

Скорость бурения зависит от правильного выбора исходя из свойств буримого массива, модели станка, типа долота и режима бурения. Режим бурения регулируется автоматически изменением усилия подачи и скорости вращения бурового инструмента.

Станки шарошечного бурения отличаются большой производитель­ностью и экономичностью.В затратах на шарошечное бурение от 20 до 45% составляют расходы на шарошки.

Конструктивно шарошки выполняются трех видов: с зубчатыми венцами, штыревые из твердого сплава и комбинированные.

Первые предназначены для бурения средних по крепости пород, вторые — крепких, третьи - разнопрочных. Сами штыри в зависимости от крепости и вязкости пород имеют рабочую поверхность в виде клина или полусферы.Горная порода при шарошечном бурении разрушается шарошечными долотами, представляющими собой конструкцию, сваренную из двух-трех консольных лап, на концах которых вращаются конусообразные шарошки (рис. П.8).

Рис. II-8. Трехшарошечное штыревое долото: 1-лапа долота; 2-большой роликовый подшипник; 3-малый роликовый подшипник; 4-шариковый подшипник; 5-шарошка; 6-зубки из твердого сплава

На поверхности шарошек имеется несколько рядов зубцов. При вращении долота шарошки перекатываются по забою скважины и зубцами разрушают породу. Механизм разрушения породы при шарошечном бурении весьма сложный и совмещает в себе принцип вращательного и ударного бурения. На карьерах обычно применяют трехшарошечные долота. Если зубцы шарошек выполнены из одного материала с шарошкой, то долото называется зубчатым, если зубцы выполнены из запресованныхвставок твердого сплава - штыревым. Зубчатые долота применяют в более мягких породах, штыревые- в породах средней и выше средней крепости. При этом с увеличением крепости пород зубцы шарошек делают более мелкими.

Станки шарошечного бурения по массе и развиваемому осевому усилию разделяют на три группы: легкие (масса до 40 т, усилие до 200 кН, диаметр скважины 150-220 мм), средние (соответственно до 55 т, до 300 кН, 220-270 мм) и тяжелые (соответственно до 120 т, до 600 кН, 295-320 мм). На рудных карьерах, отличающихся большой крепостью разрабатываемых пород, применяются главным образом шарошечные станки среднего и тяжелого типа (табл. II.2).

Скорость бурения скважин шарошечными станками зависит от режима бурения: осевого давления на долото, частоты вращения долота и скорости удаления буровой мелочи из скважины.

Осевое давление обеспечивает внедрение долота в разбуриваемую породу. С увеличением крепости пород и диаметра скважины величина осевого давления должна увеличиваться:

(II.6)

где F- осевое давление на долото, кН; f- коэффициент крепости породы по шкале проф. М. М. Протодьяконова; D- номинальный диаметр долота, мм.

Таблица II.2

Техническая характеристика станков шарошечного бурения

Тип станка	СБШ- 250МНА-32	СБШ 250МНА 32КП	СБШ-250МНА-32 5S	СБШ-160/200- 40	СБШ-160/2К 40Д
Коэффициент крепости по­род по шкале Протодъяконо- ва, f	f=6-18	f=6-20	f=6-18	f=6-18	f=6-18
Диаметр скважины условный, мм	160,170,190, 215,250,270	250-311	190	160,171,215	160,171,215
Длина буровой штанги, м	8.2	8.2; 10	11.4	8.5; 9.2	8.5; 9.2
Максимальная глубина бурения , м:	32	28	55	40;47	40;47
Кол-во штанг, шт	4	3	5	5	5
Угол наклона скважины к вертикали, град.	0;15;30	0; 15;20;25; 30	0; 15; 30	0; 15; 30	0; 15; 30
Тип бурения	враща- тельное	враща- тельное	враща- тельное	враща- тельное	враща- тельное
Тип станка	каркасный	каркасно- платформенный	каркасный	платформен­ный	платформен­ный
Привод станка	электри- ческий	электри- ческий	электри- ческий	электри- ческий	эизель Cummins QSK19
Напряжение питающей сети, В	380В/50Гц; 6000В/50ГЦ	380В/50Гц; 6000В/50Гц	380В/50Гц; 6000В/50Гц	380В/50Гц
Суммарная установленная мощность, кВт	500	550	500	420	485
Верхний предел усилия подачи, кН	294	350	200	235	235
Привод вращателя	электри- ческий	электри- ческий	электри- ческий	2 гидромотора	2 гидромотора
Верхний пре­дел частоты вращения бу­рового снаря­да, об/мин	120	100	120	120	120
Максималь­ный крутящий момент враща­теля, Нм	17400	21000	17400	6860	6860
Мощность двигателя вра­щателя, кВт	(60;90;120 пост.ток), (90 перем.ток. с част.рег.)	60 (90;120) пост.ток	60;90 пост.ток	2 гидромотора	2 гидромотора

Продолжение таблицы II.2

Тип станка	СБШ-250МНА-32	СБШ-250МНА- 32КП	СБШ-250МНА-32- 55	СБШ-160/200-40	СБШ-160/200- 40Д
Скорость спу­ска /подъема бурового сна­ряда, м/мин	0-13	0-13	0-13	0 ... 15	0 ÷ 15
Производитель­ность компрес­сора; м3/мин	32	32-50	32	25	25
Давление сжа­того воздуха (номинальное), МПа (кг/см2)	0,7 (7)	0,7 (7)	0,7 (7)	0,7 (7)	0.7 (7)
Способ пыле- подавления	Мокрое, сухое	Мокрое	Мокрое, сухое	Мокрое, сухое	Мокрое, сухое
Ход станка	Гусеничный многоопорный	Гусеничный многоопорный	Гусеничный многоопорный	Гусеничный тракторный	Гусеничный тракторный
Привод гусеничного хода	Электрический	Электрический	Электрический	2 гидромотора	2 гидромотора
Мощность двигателей привода хода, кВт	(2x22,2x30 перем. тока), (2x35,2x50 пост.ток.), (2x45 перем.ток с част, руг.)	2х50пост.ток.	(2x22,2x30 пе­рем. тока), (2x35,2x50 пост.ток.), (2x45 перем.ток с част, руг.)	2 гидромотора	2 гидромотора
Скоростьпередвижения, км/час	1.3	1.1	1.3	1.2	1.3
Кол-во домкратов гориз., шт	3	4	3	3	3
Максимальный угол подъёма, преодолевае­мый станком, град (% тан­генс угла*× 100)	12	12	12	12	12
Габаритные размеры, м
Ширина	5.7	6.975	5.7	6.0 ± 0.2	6.0 ± 0.2
Поднятая мачта, м
Длина	10.5	11.42	10.5	11.5 ±0.3	11.5 ±0.3
Высота	16.2	16.86	19.8	13 + 0.3	13 ±0.3
Опущенная мачта, м
Длина	15.6	16.19	19.2	13.1+0.3	13.1 ±0.3
Высота	6.6	7.315	6.6	6.2 ± 0.3	6.2 ± 0.3
Масса станка, кг	85000	100000	90000	50000	50000

Современные шарошечные станки тяжелого типа развивают осевое усилие до 200-350 кН.

При увеличении осевого давления скорость бурения резко воз растает, но вместе с этим снижается стойкость долота - быстро выходят из строя в основном опоры шарошек.

Частота вращения долота в зависимости от крепости пород изменяется в пределах 30÷120 об/мин. С увеличением частоты вращения долота скорость бурения повышается, но одновременно резко снижается стойкость зубьев шарошек.

При большей частоте вращения долота усиливается вибрация бурового станка, что приводит к частым поломкам станка и ухудшает условия его обслуживания.

Удаление буровой мелочи из скважин и охлаждение долота в процессе бурения производятся сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью. С увеличением скорости удаления буровой мелочи скорость бурения и стойкость долота повышаются. Для эффективного удаления буровой мелочи, не допуская ее перемалывания, необходимо создать скорость воздушного потока 18-20 м/с, что обеспечивается компрессорами производительностью 25 - 50 м³/мин.

В зависимости от крепости пород скорость бурения скважин шарошечными станками изменяется от 2 до 20 м/ч и более, стойкость долот - от 100 до 1000 м скважин и более (табл. П.3).

Таблица II.3

Скорость бурения и стойкость шарошечных долот (по Б. А. Симкину)

Породы	Характеристика пород	Диаметр скважины, мм	Скорость бурения, мм/мин	Стойкость долота, м
Кварцит	Крепчайшие и крепкие	225	2,7	108
Гематит	То же	-	5,1	205
Диорит		225	7,5	157
Крепкий известняк	Средней крепости	185-280	13,3	1530
Сланцы ипесчаники	То же	170-280	16,5	1760

К достоинствам шарошечного способа бурения скважин относятся: высокая производительность бурения в породах средней и большой крепости; возможность бурения вертикальных и наклонных скважин; непрерывность процесса бурения, обеспечивающая возможность его автоматизации.

Недостатками шарошечного бурения являются большая масса буровых станков, низкая стойкость и высокая стоимость шарошечных долот.

Ударно-вращательное бурение скважин

Ударно-вращательное бурение. Станки ударно-врашательного буре­ния СБУ применяют для бурения пород средней и выше средней крепо­сти. Они просты по устройству и обслуживанию, имеют малую массу, большую маневренность и позволяют бурить вертикальные, наклонные нисходящие скважины, горизонтальные и наклонные восходящие скважины.

Рабочим органом станков являются пневмоударники. Сжатый воз­дух от компрессора поступает по полой штанге к пневмоударнику. С по­мощью клапанного устройства он приводит в возвратно-поступательное движение поршень с бойком, наносящим удары по хвостовику буровой коронки с частотой 1700÷2500 ударов в минуту. Вращение пневмоударника осуществляется через штангу вращателем от электро­двигателя, расположенного на самом станке. При каждом ударе лезвие долота внедряется в породу, производя скалывание сектора, на который успело повернуться долото от вращения бурового инструмента.

Буровая мелочь удаляется из скважины воздушно-водяной смесью или сжатым воздухом.

В зависимости от свойств буримого массива применяют коронки различных типов: долотчатые, трехлезвенные, крестообразные, Х-образные, без опережающего и с опережающим лезвием, армированные твердым сплавом. В монолитных породах применяют коронки долотча­той формы, в трещиноватых - крестовые или трехзвенные с опережаю­щим лезвием.

На существующих станках машинист сам осуществляет регулировку режима бурения, изменяя в основном частоту вращения бурового инструмента.

Скорость бурения станков с погружными пневмоударниками (табл. II.5) зависит главным образом от давления сжатого воздуха, подводимого к пневмоударнику, осевого усилия, с которым коронка прижимается к забою скважины, скорости вращения бурового става и числа ударов пневмоударника в минуту.Она достигает 6 м/ч в породах с f= 9÷16.

Таблица II.5

Скорость бурения пневмоударниками и стойкость коронок

(по И. М. Кузнецову)

Коэффициент крепости буримых пород	Характеристика пород	Пробурено скважин на одну заточку	Механическая скорость бурения, мм/мин
12-16	Весьма абразивные	4,7	50
12-14	Слабоабразивные	50	100
6-12	Абразивные сложного строения	14,8	70
6-10	Тоже	15,9	85

Однако эксплуата­ционная производительность станков этого типа существенно снижается из-за быстрого затупления коронок и необходимости замены долота. Стойкость долот в полускальных породах около 30м, в чрезвычайно крепких породах – менее 3 метров, после чего она подлежит заточке.

Наиболее эффективно пневмоударное бурение при давлении сжатого воздуха 0,5÷0,7 МПа, осевом усилии 25÷50 МПа, частоте вращения бурового става (в зависимости от крепости пород и диаметра скважин) 20÷90 об/мин и числе ударов пневмоударника1700÷2200 в минуту. С увеличением

Таблица II.4

Техническая характеристика буровых станков с погружными пневмоударниками

Модель станка Показатели	СБУ-100Н-35	2СБУ-100-32	СБУ-100-35	СБУ-100ГА-50	3СБУ-100-32
Диаметр скважины, мм	125	110	110	130	85; 110-125
Глубина бурения вертикальных скважин, м	32(35)	32	35	50	32
Угол наклона скважины, градус	0-90	0-90	0; 15; 30	0; 15; 30
Коэффициент крепости пород	6-20	6-20	6-20	6-20	6-20
Техническая производительность, м/час	6,5	12,0	6,5	6,5	12,0
Масса станка, т	0,270	0,270	5	5	8,5
Удельный расход электроэнергии при бурении, мДж/м3	2700	2376	2700	2700	2376

крепости пород и диаметра скважин скорость вращения бурового става уменьшается.

За рубежом пневмоударное бурение применяют для подготовки горной массы на рудных горизонтах, оформления бортов карьеров, селективной выемке руд, при использовании экскаваторов небольшой мощности и ковшовых погрузчиков.

Наибольшее число пневмоударных станков для бурения скважин диаметром от 76 до 255 мм выпускает фирма «Ингерсолл-Ренд». Смен­ная производительность пневмоударников при бурении скважин диа­метром 152÷172 мм на зарубежных карьерах в крепких свинцово-цинковых и молибденовых рудах составляет 15÷47 м, а в менее крепких породах — 50÷100 м.

Подача сжатого воздуха для легких станков предусматривается от специальных компрессоров, тяжелые станки оборудуются собственны­ми компрессорами. Вращение бурового инструмента осуществляется пневмоприводом; в некоторых станках предусмотрено плавное измене­ние усилия подачи и скорости вращения. Частота удара в минуту самих пневмоударников невысокая — до 1000, но единичный удар обладает большой энергией.

Форма долот разнообразная. В последнее время широкое распространение получили долота, армированные штырями со сферической поверхностью. Конструкция и материал долота предусматривают постоянные выступы штырей по мере износа, что увеличивает их стой­кость в два раза.

Дальнейшее совершенствование буровых станков привело к созда­нию гидравлических бурильных машин ударно-поворотного действия. Зарубежные фирмы производят станки с гидравлическим ударным механизмом «Гербер», предназначенные для бурения наклонных и верти­кальных скважин диаметром от 178 до 209 мм. Скорость бурения этим способом в 2 раза больше, чем шарошечным. Гидравлическая система управления основными механизмами обеспечивает автоматизацию всех операций бурения, что позволяет обслуживать станок одному операто­ру с минимальными затратами времени.

На карьерах США и Канады применяют универсальные станки, позволяющие бурить как шарошечными долотами, так и погружными ударниками. Первые применяют при бурении скважин в породах малой и средней крепости, а погружные ударники — при бурении в крепких абразивных породах.

К достоинствам станков с погружными пневмоударниками относятся: возможность бурения вертикальных, горизонтальных и наклонных скважин; относительная простота конструкции станков; возможность автоматизации управления процессом бурения; возможность многошпиндельного бурения скважин.

Недостатки – низкая стойкость коронок и резкое снижение производительности при бурении глубоких скважин в обводненных породах.