Способы бурения

Угол наклона скважины от вертикали устанавливается для всех станков 0°, 15° и 30°, однако может иметь шаг и через 5°.

Классификация бурового оборудования. Буровые установки, изготовленные разными производителями, естественно, отличаются друг от друга. Классификация между различными видами буровых машин производится по нескольким основным признакам, в соответствии с которыми и необходимо выбирать необходимую машину под конкретные условия работы.

В частности к таким признакам относятся:

А). По способу разрушения горной породы буровые машины подразделяются на:

● осуществляющие механические способы разрушения - буровой

инструмент непосредственно воздействует на породу, разрушая

её;

● и физические способы разрушения;

● а также сочетающие их - комбинированные.

К механическим относят машины ударно-вращательного и вращательного бурения шарошечными и резцовыми долотами, производящие разрушение горной породы инструментом в соответствии с прикладываемыми к нему силовыми нагрузками.

Механический способ бурения скважин осуществляется за счет непосредственного воздействия рабочего инструмента на породу, при котором в последней возникают высокие напряжения, превышающие предел прочности минеральных образований и приводящие к разрушению породы в области контакта с инструментом.

Физические или физико-химические способы бурения разрушают породу через жидкую или газообразную среду:

- термическим,

- взрывным,

- гидравлическим,

- электрогидравлическим,

- ультразвуковым, воздействующим на горную породу через жидкую и

газообразную среду,

- плазменным,

- лазерным,

и другими способами воздействия.

Термическое бурение заключается в том, что порода разрушается под действием высокой температуры и давления газовой струи. К породе подводят газы при температуре 2500-3000°С со скоростью до 2000 м/с. Этот способ можно применять для бурения пород, которые растрескиваются, а не плавятся.

Взрывное бурение (взрывобурение) может осуществляться с помощью ампульных или твердых ВВ, а также струйным способом. Ампулы с жидкими компонентами ВВ (окислитель и горючее) периодически подаются к забою скважины по трубам с водой. Твердые заряды ВВ с детонатором напольного типа автоматически подаются через сопло взрывобура на забой. Удаление породы из скважины осуществляется сжатым воздухом. При струйном способе по специальным трубкам жидкий окислитель и горючее подаются из емкостей к дозирующим приспособлениям забойного взрывобура и непрерывно или прерывно инициируются взрывы. Разрушенная порода подхватывается восходящим воздушным потоком, образующимся при подаче сжатого воздуха в затрубное пространство.

Гидравлический способ бурения осуществляется тонкой высоконапорной струей воды, подаваемой на забой со сверхзвуковой скоростью, однако с весьма высокими удельными затратами энергии.

При ультразвуковом способе бурения (шелушение) пород происходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления в породе термических напряжений, превышающих предел прочности минерального образования.

Несмотря на создание и внедрение новых физических и комбинированных способов бурения, механическое разрушение горных пород при бурении, в первую очередь станками шарошечного бурения, остается определяющим, но каждый из механических способов имеет свою область применения и поэтому не может быть полностью вытеснен другими.

Б). По способу приложения силовой нагрузки к буровому инструменту буровые машины подразделяют следующим образом:

● ударное бурение осуществляется за счёт последовательно наносимых по забою ударов долотом. При ударном бурении вращательный момент к долоту не прикладывается. Перед каждым следующим ударом (в момент отскока) инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая таким образом разрушение породы по всей площади забоя.

Преимуществом ударного бурения является то. Что создаются большие силы удара, а следовательно, и большие удельные нагрузки на лезвие коронки. Хрупкие породы разрушаются легче под действием удара, чем под действием статических нагрузок, поэтому ударное бурение рекомендуется применять для бурения пород выше средней прочности.

Всякая ударная бурильная машина должна выполнить 6 различного рода движений:

1 – удар;

2 – обратный ход ударного стержня;

3 – его поворот;

4 – поступательное движение его вперед по мере углубления отверстия;

5 – передвижение самой машины вперед;

6 – ее отодвигание назад.

Первое и второе движение выполняются регулировкой поршней, третье движение происходит с помощью спиральной дорожки, выделанной на поверхности стержня, которой движется стержень по неподвижному шипу, укрепленному в раме машины; четвертое происходит вследствие одинаковой длины поршневого цилиндра машины с величиной передвижения всей машины; пятое и шестое движения производятся руками.

● При ударно-поворотном бурении вращающий момент незначителен, но инструмент непрерывно вращается вокруг своей оси (под действием удара лезвие поворачивается на некоторый угол, обычно на 10-15°, благодаря чему увеличивается разрушаемая поверхность забоя). Порода разрушается в основном при внедрении лезвия инструмента под действием удара. Благодаря же вращению инструмента производится срезание породы, оставшейся в гребешках после удара. Если коронку не поворачивать, то после нескольких ударов поверхность соприкосновения лезвия с разрушенной породой настолько увеличится, что внедрение лезвия и разрушение горной породы прекратятся.

После удара и поворота инструмента на некоторый угол он приподнимается и цикл поворачивается. Хотя при этом способе бурения инструмент находится в контакте с породой только часть времени, однако производительность его на 50-60% выше, чем при ударном бурении.

● Вращательное бурение резанием осуществляется резцом, непрерывно срезающим и скалывающим частицы породы с забоя по винтовой линии передней гранью под действием приложенных осевого усилия и момента вращения. Одновременно коронка подается на забой вдоль оси скважины со значительным усилием. Вращательное бурение применяют только по слабым углям и породам средней и ниже средней крепости. При крепких породах режущие кромки коронки не способны скалывать стружку значительной толщины и разрушают породу истиранием. При этих условиях работы резцы из металлокерамических, твердых сплавов быстро изнашиваются и скорость бурения падает. Производительно бурить скважины по крепким породам вращательным способом можно алмазными коронками (алмазное бурение), однако ввиду высокой стоимости и дефицитности алмазов (в том числе и искусственных) алмазные коронки используют только в специальных случаях.

Всякая вращательная буровая машина должна выполнять два действия:

1) передвигать вперед буровой стержень с зубчатым стальным наконеч-

ником,

2) поворачивать его.

Первое действие производится особым механизмом, а второе - с помощью двух водостолбовых машин, приводящих в движение бесконечный винт, поворачивающий стержень посредством зубчатого колеса, соединенного со стержнем наглухо.

Все вновь строящиеся буровые машины отличаются от прежних увеличением силы диаметра бурава и уменьшением числа буровых сверл. Так, например, последние буровые машины Дюбуа и Франсуа имеют один бур, а Брандта - два бура.

Существуют два вида вращательного бурения:

- сплошное;

- и колонковое.

В последнем случае коронка разрушает горную породу только в пределах кольцевой щели, а в середине остается керн, выдаваемый из скважины крупными кусками. При колонковом бурении поверхность контакта коронки с породой меньше и при той же силе подачи давление выше, чем при сплошном разбуривании. Вследствие этого бурение с керном успешно применяется и по породам большой крепости. Однако потери времени на подъем керна снижают среднюю скорость бурения, в связи с чем такой способ бурения на карьерах применяют только для проведения разведочных скважин.

● Ударно-вращательный способ сочетает признаки ударного и вращательного бурения резанием. При этом способе удары высокой энергии осуществляются погружным ударником (преимущественно пневматическим) при наложении постоянных, относительно небольших осевого усилия и момента вращения. Порода разрушается ударом долота, а оставшиеся гребешки срезаются при его повороте. Способ бурения применяется по крепким, очень крепким и абразивным породам.

По буровому инструменту, прижимаемому к забою с осевым усилием и вращаемому независимым вращателем, непрерывно наносятся удары через хвостовик штанги. Разрушение породы происходит скалыванием и срезанием частиц с забоя. Способ применяется для бурения наклонных и горизонтальных скважин в крепких породах. Широко реализуется во многих конструкциях станков зарубежного производства, а также в ряде отечественных станков типа СБУ.

● Шарошечное бурение осуществляется перекатыванием шарошки по забою при вращении долота с высоким моментом и усилием прижатия к забою. Зубья шарошки, набегая на забой, разрушают его ударом и резанием. Способ универсален и весьма распространен. Внешне бурение протекает как вращательное. Однако зубья шарошки имеют кратковременный (ударный) контакт с забоем, в силу чего отсутствует фаза резания, характерная для вращательного бурения с использованием инструмента режущего типа.

В зависимости от условий бурения рабочему органу сообщаются различные движения.

Рис.4. Схемы способов бурения:

а, б – вращательное бурение;

в – ударное бурение;

г – ударно-поворотное;

д, е – ударно-вращательное бурение;

ж – термическое бурение.

Наибольшее распространение на открытых горных работах получил вращательный способ бурения - шарошечными и резцовыми коронками.

На способ бурения шарошечными коронками приходится до 80% всех объемов бурения, тогда как вращательным способом с резцовыми коронками выполняется около 19%, а ударным методом - до 1%.

В ближайшие годы предполагается некоторое сокращение доли шарошечного бурения вследствие расширения области применения ударно-вращательного способа бурения, тогда как доля вращательного бурения останется приблизительно постоянной.

● Комбинированное.

Таблица 2