Технологическая характеристика и режим ударного, шнекового, шарошечного бурения

Ударное бурение

Технология ударно-канатного бурения: буровой снаряд массой 0.8-3 т периодически поднимается и свободно падает на забой скважины. После каждого удара снаряд (и лезвие долота) посредством канатного замка поворачивается на некоторый угол, что обеспечивает равномерное разрушение породы по всей площади забоя скважины. Буровая мелочь смешивается с водой, которая периодически или постоянно подливается в скважину и образует буровой шлам.

Буровой шлам периодически удаляется из скважины желонкой (специальный цилиндрический сосуд). Таким образом, процесс бурения включает две основные операции:

• долбление;

• желонирование.

Скорость ударно-канатного бурения определяется:

• массой бурового снаряда;

• частотой очистки скважины от шлама (обычно через 0.6-1 м бурения).

Ударное бурение шпуров и скважин в карьерах осуществляется ручными и колонковыми бурильными молотками

Таблица 3.1 - Техническая характеристика бурильных молотков

Бурильные молотки снабжаются сжатым воздухом от передвижных компрессоров с максимальным давлением воздуха 0.6-0.7 МПа и массой от 1 до 6 т. Приводом передвижных компрессорных станций являются двигатели внутреннего сгорания или электродвигатели.

Шнековое бурение

Технология шнекового бурения состоит в образовании взрывных скважин коронками режущего типа (резцами) (рис 3.3) под воздействием усилия подачи рабочего инструмента на забой скважины и вращения бурового става.

Рисунок 3.3 - Породоразрушающий инструмент для шнекового бурения: а — спиральное лолото для рыхлых пород; б — долото для плотных пород;  в — долото для слабых скальных пород (угля);

Передача резцу крутящего момента и усилия подачи, а также удаления буровой мелочи из забоя обеспечивается шнековыми штангами с ребордами винтовой формы (рис. 3.4) .

Рисунок 3.4 - Буровые шнеки

Основными технологическими операциями шнекового бурения скважины являются:

• собственно бурение;

• наращивание и разборка бурового става, состоящего из отдельных штанг.

Усилие подачи на резец осуществляется как под действием массы вращателя и бурового става (станок СБР-125), так и принудительно (СБР-160). Передвижение станка - шагающее устройство (СБР-125) или гусеничный ход.

Штанга представляет металлическую трубу, на которую по винтовой линии наварены металлические полосы, образующие шнек. Стойкость штанг составляет 1000-4000 м. Для лучшей очистки скважин от буровой мелочи по центральной трубе может подаваться сжатый воздух, что обеспечивает шнеко-пневматическую очистку.

Режим шнекового бурения характеризуется:

• усилиями подачи;

• частотой вращения бурового инструмента;

• эффективностью удаления продуктов разрушения.

• 

Зависимость между скоростью бурения V_б и усилием подачи Р_о характеризуется зонами (рис. 3.5):

• 1 - истирания;

• 2 - переходная;

• 3 - объемного разрушения;

• 4 - падения скорости.

Для пород различной буримости зависимость V_б = f(Р_о) в зоне объемного разрушения остается линейной, изменяется только угол α.

Рисунок 3.5 - Зависимость V_б = f(Р_о)

Скорость бурения зависит от частоты вращения n бурового става (рис. 3.6). Кроме того от частоты вращения бурового става зависит эффективность удаления буровой мелочи, необходимо превышение критической частоты вращения, которая составляет 60-70 об/мин.

Рисунок 3.6 - Зависимость скорости бурения от частоты вращения n бурового става

Частота вращения и усилие подачи ограничиваются в трещиноватых полускальных породах прочностью резцов, а в плотных породах - необходимостью удаления продуктов разрушения из скважины. Предельно допустимая частота вращения по интенсивности износа бурового инструмента и транспортирования буровой мелочи из скважины составляет 220...250 об/мин. У выпускаемых станков шнекового бурения частота вращения бурового става изменяется от 80 до 248 об/мин.

Техническая скорость шнекового бурения (м/ч) приближенно может быть определена по формуле:

,

3.1

где Р_о - усилие подачи, кН;        n - частота вращения бурового става, об/с;       d - диаметр резца, м;        П_б - показатель трудности бурения породы.

Бурение скважин режущими долотами получило широкое распространение на разрезах как на угольных, так и на вскрышных уступах. Так станки вращательного бурения СВБ-2М и СБР-160, рассчитанные на бурение скважин диаметром 160 мм, составляют около 60% от общего числа станков.

Таблица 3.2 - Техническая характеристика СВБ-2М и СБР-160

Шарошечное бурение

Шарошечное бурение осуществляется долотами, имеющими в качестве разрушающего органа конусообразные шарошки с зубьями (зубчатые долота) или штырями, армированными твердыми сплавами (штыревые долота) (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 - Шарошечные долота

Принцип бурения состоит в том, что при вращении долота шарошки перекатываются по забою, их зубки (штыри) внедряются в породу и разрушают ее. Процесс внедрения зубков в породу происходит под действием большого осевого усилия, передаваемого на забой через буровой став.

По сравнению с режущим буровым инструментом шарошечные долота имеют большую площадь рабочей поверхности при меньшей площади контакта в каждый момент времени. Внедрение зубьев при перекатывании шарошек происходит кратковременно, поэтому работа сил трения и износ зубьев оказываются гораздо меньшим, чем у режущих долот. Этот способ эффективен при бурении в породах различной крепости.

Разрушенная порода удаляется из забоя скважины сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью.

По массе и развиваемому усилию подачи станки шарошечного бурения подразделяются на:

• легкие - масса до 40 т, усилие подачи до 200 кН, диаметр скважины 150-220 мм, рациональная область применения - породы с Пб=6-10, станок СБШ-160;

• средние - масса до 65 т, усилие подачи до 350 кН, диаметр скважины 220-270 мм, Пб=10-14, станки 2СБШ-200Н, 3СБШ-200, СБШ-250МН;

• тяжелые - масса до 120 т, усилие подачи до 700 кН, диаметр скважины 320-400 мм, Пб>14, станки СБШ-320, СБШ-400.

Основными технологическими операциями при бурении скважин шарошечными станками являются:

• передвижение к месту бурения и установка станка для бурения;

• подъем и разборка бурового става и смена бурового инструмента;

• наращивание бурового става в процессе бурения.

Последовательность и продолжительность операций бурения скважин зависит от кинематической схемы вращательно-подающего механизма бурового станка. Для увеличения стойкости долот и применения систем автоматического регулирования режимов бурения необходима плавная регулировка усилий подачи и частоты вращения, что обеспечивается применением в качестве привода вращателя двигателей постоянного тока.

В общих затратах на бурение скважин от 20 до 45% составляют расходы на буровой инструмент. От правильного выбора долота в значительной степени зависит их стойкость, скорость бурения и затраты на бурение. Выбор типа шарошечных долот производится в зависимости от прочностных свойств пород (категории по буримости) с учетом абразивности. Обычно применяются трехшарошечные зубчатые, штыревые или комбинированные долота, имеющие каналы для продувки скважины и каналы для смазки опор шарошек, которые вращаются на консольных осях с подшипниками.

Стойкость шарошечных долот в зависимости от категории буримости и особенно абразивности пород может составлять от 100 до 2000 м. Применение смазки шарошек увеличивает их стойкость в 1.5-2 раза.

Вращение и усилие подачи на шарошечное долото передают пустотелые буровые штанги, по которым поступает воздух и воздушно-водяная смесь для очистки скважины от буровой мелочи и охлаждения долота. Диаметр штанги должен быть на 35-50 мм меньше диаметра долота для нормального выноса буровой мелочи в затрубном пространстве.

Режим шарошечного бурения определяется следующими параметрами:

• осевое усилие на долото;

• частота вращения долота;

• расход воздуха для очистки забоя скважины от буровой мелочи и охлаждения долота.

Бурение шарошечными долотами эффективно лишь в случае достаточного осевого давления (усилия подачи). В связи с этим процесс разрушения породы может быть:

• поверхностным - контактное давление зубков на породу значительно ниже предела прочности породы;

• усталостным - разрушение происходит после нескольких ударов зубков по одному и тому же месту;

• объемным - контактное давление достигает предела прочности породы.

Зависимость скорости бурения от усилия подачи показана на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 - Зависимость скорости шарошечного бурения V_b от усилия подачи на долото P_o

При очень большом усилии подачи ( P_o>P_k) скорость бурения практически не увеличивается из-за ухудшения очистки забоя скважины от буровой мелочи при постоянных расходах воздуха. К тому же такие большие усилия подачи в современных буровых станках не достигаются. Поэтому необходимо применять усилия подачи, максимально возможные по надежности опор шарошек и массе станков (9-22 кН на 1 см диаметра долота). При бурении наклонных скважин усилие подачи снижают на 20-25% для предотвращения смещения станка.

С увеличением частоты вращения долота n техническая скорость бурения V_b повышается , но существенно снижается стойкость долота (рис. 3.9).

Рисунок 3.9 - Зависимость скорости шарошечного бурения V_b (1) и стойкости долот S_d без смазки опор (2) и при смазке их (3) от частоты вращения долота n.

Ориентировочно техническую скорость шарошечного бурения (м/ч) можно определить по формуле:

,

3.2

где Р_о - усилие подачи, кН;       n - частота вращения бурового става, об/с;       D - диаметр долота, м;       П_б - показатель трудности бурения породы.

Пневмоударное бурение

Преимущества станков ударно-вращательного бурения с погружными пневмоударниками - небольшие осевые усилия на инструмент, что при наличии малогабаритных компрессоров высокого давления дает возможность значительно снизить массу и габаритные размеры станков, повысить их производительность и мобильность. Однако выпускаемые станки этого типа позволяют бурить скважины малого диаметра (105-160 мм) и по конструкции они не приспособлены к резким изменениям свойств пород (это ограничивает их применение на угольных карьерах).

В настоящее время на карьерах для бурения скважин диаметром от 105 до 160 мм применяют различные станки с погружными пневмоударниками:

• СБУ-100Г, СБУ-100П (скважины до 125 мм, Г - гусеничный ход, П - пневмоколесный ход, глубина до 35 м, масса соответственно 5 и 4 т);

• 1СБУ-125, 2СБУ-125 ( до 125 мм, гусеничный ход, глубина до 24 м, масса 8.5 т);

• СБУ-160 и СБУ-200 (до 160 и 200 мм, в стадии разработки).

Рабочим органом станка является погружной пневмоударник. С помощью клапанного устройства сжатый воздух, поступающий по буровой штанге, приводит в поступательно-возвратное движение ударник, наносящий удары по хвостовику буровой коронки. Частота ударов 28-41 в секунду. Одновременно вместе со штангой вращается пневмоударник, вращатель расположен вне скважины. Буровая мелочь удаляется из скважины воздушно-водяной смесью или сжатым воздухом.

Доля затрат на буровой инструмент составляет 30-35%. Буровые коронки имеют диаметр 105, 125, 155, 160 и 200 мм. Коронки армируются призматическими и цилиндрическими вставками твердого сплава. По числу разрушающих лезвий коронки различают:

• однодолотчатые (зубильного типа);

• трехперые (применяются при бурении малотрещиноватых диаметром до 105 мм);

• крестовые (этот тип коронок с опережающим лезвием и диаметром до 160 мм применяется для бурения трещиноватых пород);

• Х-образные;

• штыревые (эти коронки, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава со сферической разрушающей породу поверхностью, успешно эксплуатируются при удельных энергиях удара, значительно больших по сравнению с долотчатыми и крестовыми коронками).

Режим пневмоударного бурения характеризуется:

• энергией единичного удара;

• усилием подачи;

• числом ударов поршня-ударника в минуту;

• частотой вращения бурового става.

Частота ударов и частота вращения определяют угол поворота коронки между ударами. Энергия удара зависит от массы поршня-ударника, длины его хода и давления сжатого воздуха:

• при небольшом давлении происходит истирание породы и буровой коронки;

• при увеличении давления буровая коронка эффективнее внедряется в породу, разрушение происходит за счет скола и скорость бурения при этом увеличивается (рис. 3.10).

Рисунок 3.10 - Зависимость скорости пневмоударного бурения V_b от давления воздуха P_v.

Техническая скорость бурения V_b (м/ч) определяется по формуле:

,

3.3

где W - энергия удара, Дж;        N - число ударов коронки по забою в секунду;        К_b - коэффициент, учитывающий диапазон изменения П_б (при П_б = 10-14 К_b = 1, при П_б = 15-17 К_b = 1.05, при П_б = 18-25 К_b = 1.1);       D - диаметр коронки, м;        К_f - коэффициент, учитывающий форму буровой коронки (при трехперых коронках К_f =1, при крестовых К_f =1.1).

Большой влияние на эффективность пневмоударного бурения оказывает стойкость буровых коронок. Скорость бурения снижается по мере затупления лезвия буровой коронки, однако частая смена коронок приводит к повышенному расходу бурового инструмента и снижению общей производительности станка из-за увеличения удельного объема вспомогательных операций. Коронки до полного их износа 2-3 раза подвергаются перезаточке.

Термическое бурение

Термическое бурение скважин осуществляется самоходными огнеструйными буровыми станками, имеющими вращающийся термобур с горелкой. Вращением термобура достигается периодическое нагревание всей площади забоя скважины. Разрушение породы при огневом бурении происходит в результате действия напряжений, обусловленных резким перепадом температур в различных слоях породы, а также в результате механического воздействия высокоскоростных газовых струй, фазовых изменений минералов, составляющих породу. Так, кварц при температуре около 500 градусов переходит в другие кристаллические модификации со значительным изменением объема. При этом с поверхности отслаиваются чешуйки породы, которые подхватываются потоком раскаленных газов и выносятся из скважины.

Высокотемпературные огневые газовые струи образуются в небольшой по объему камере огнеструйной горелки в результате сжигания высококалорийного топлива и газообразного окислителя (керосин, бензин, дизельное топливо - сжатый воздух, кислород). Продукты сгорания через сопло горелки истекают со сверхзвуковой скоростью и направляются на забой. Охлаждение горелки осуществляется водой.

Основные технологические операции термического бурения:

• зажигание горелки;

• собственно бурение, заключающееся в подаче вращающегося термобура на забой скважины;

• расширение при бурении нижней части скважины (при создании котловой полости) или по всей длине заряжаемой ее части;

• очистка скважины.

При термическом бурении хорошо разрушается ограниченное количество пород, в основном кварцесодержащих. Поэтому его самостоятельное применение неэффективно. При термическом расширении зарядной части скважины, ранее пробуренной шарошечным или другим механическим способом, скорость терморазрушения породы возрастает в 5-10 раз и таким образом, увеличивается число терморазрушаемых пород. Для расширения скважины после достижения проектной глубины опускается до нужной отметки термобур, где он фиксируется в течении 3-5 мин для формирования вруба, а затем начинают передвигать вверх в процессе расширения. После расширения термобур опускают вниз для очистки скважины. Время очистки 10-15 мин.

Режим термического бурения характеризуется:

• температурой газового потока;

• скоростью газового потока.

Регулируется режим бурения частотой вращения и скоростью подачи на забой термобура.