8.2. Ударное бурение и его разновидности

Использование ударного воздействия для внедрения бурового инструмента и разрушения породы на забое скважины применяется при бурении в любых породах, как в чистом виде, так и в комбинации с вращательным воздействием. Ударным способом можно разрушать породу по площади кольца – «кольцевым забоем» или по всей площади забоя – «сплошным забоем». При бурении кольцевым забоем порода в центре скважины не разрушается, а попадает внутрь инструмента и извлекается вместе с ним на поверхность в качестве образца. Ударное бурение кольцевым забоем применяется только в мягких породах. Инструмент для такого бурения обычно называется «стакан».

В литературе встречаются различные названия этого варианта бурения – «ударное бурение кольцевым забоем», «ударное бурение стаканами», «ударное бурение грунтов». Примем термин «ударное бурение грунтов».

Другая разновидность ударного бурения заключается в разрушение породы по всему забою с последующим извлечением разрушенной породы специальным инструментом, является универсальной, применяется в любых породах и носит традиционное название «ударно-канатное бурение».

Ударное бурение грунтов

Ударное бурение грунтов применяется, главным образом, при инженерно-геологических изысканиях, при разведке стройматериалов и при гидрогеологических исследованиях. Основное назначение скважин - это получение качественных образцов с ненарушенной структурой. Глубины скважин - 10-15 м, отдельные до 30.

При любом ударном бурении для разрушения или уплотнения породы на забое используется кинетическая энергия движущейся массы. При этом реализация этой энергии (удар) может осуществляться непосредственно на породу забоя, либо посредством промежуточного инструмента. В соответствии со способом передачи энергии удара этот вид бурения подразделяется на два варианта: бурение «клюющим способом» и бурение забивными стаканами (рис.8.1).

Рис. 8.1. Схемы ударного бурения грунтов

а - клюющий способ,

б - забивной способ

При «клюющем» бурении стакан с утяжелителем на канате сбрасывается с достаточно большой высоты на забой скважины, внедряется в породу на глубину 2-20 см. и поднимается на поверхность для извлечения образца. Затем операция повторяется.

При «забивном» бурении стакан погружается в грунт серией наносимых по нему ударов массивным бойком забивного патрона, присоединенного к стакану. Спуск, извлечение стакана и нанесение по нему ударов производится с помощью каната. Величина погружения стакана за один спуск при таком варианте бурения составляет от 0,2 до 1,0 метра.

При «клюющем» варианте бурения запас кинетической энергии падающего стакана непосредственно реализуется для внедрения инструмента в породу. Из закона сохранения энергии можно вывести зависимость глубины погружения стакана при одиночном сбрасывании

, (8.1)

где m-масса стакана с утяжелителем; V₀-скорость стакана в момент касания забоя; -сумма сопротивления со стороны грунта (лобовое сопротивление и боковое трение); mg-вес снаряда.

Учитывая, что скорость падающего груза пропорциональна высоте сбрасывания – H, т.е. V₀=α , где α-коэффициент, учитывающий сопротивления воздуха и стенок скважины, и обозначив α² через k, получим зависимость

(8.2)

Поскольку силы сопротивления внедрению намного больше силы тяжести - mg, можно считать, что глубина внедрения стакана прямо пропорциональна его массе и высоте сбрасывания.

Технология ударного бурения клюющим способом сводится к выбору массы инструмента и высоты сбрасывания. Масса стакана с утяжелителем желательна максимально возможной и выбирается из удобства работы с ним и возможности использования легкого бурового оборудования. Практически рекомендуется использовать инструмент массой 100-300 кг. С увеличением высоты сбрасывания возрастает конечная скорость падения и, соответственно, глубина внедрения. Однако, характер возрастания скорости падения с увеличением высоты сбрасывания имеет затухающий вид (рис 8.2), и большое увеличение высоты сбрасывания становится нерациональным. Из опыта рекомендуется принимать высоту сбрасывания в пределах 3-8 метров. Таким образом, величина углубки стакана за один сброс и производительность бурения зависит, главным образом, от свойств пород и составляет обычно от 5 до 20 см.

Рис. 8.2. Зависимость скорости стакана в момент встречи с забоем от высоты сбрасывания

При ударно-забивном варианте бурения, в отличие от клюющего, углубка стакана происходит под воздействием серии ударов, наносимых активной массой-m₁ по головке стакана (пассивной массе-m₂). В этом случае величина погружения стакана за один удар зависит от величин активной и пассивной масс, их соотношения и от скорости, приобретаемой пассивной массой в момент удара-V₂, а также от сил сопротивления и веса снаряда и определяется выражением

(8.3)

Анализ теории и опытные данные показывают, что наиболее эффективно происходит внедрение стакана при примерном равенстве активной и пассивной масс, т.е. желательно чтобы m₁m₂, при этом значения масс рекомендуется применять в пределах 50-150 кг.

Высота сбрасывания ударника определяется конструктивными соображениями и обычно составляет 0,6-1,0 м.

При ударно-забивном бурении к технологическим параметрам добавляется ещё частота ударов ударника, которая составляет обычно 20-25 ударов в минуту (при наличии ударного механизма до 40), и глубина забивки стакана за один спуск (рейс). Углубка за рейс выбирается из условия допустимого уплотнения породы внутри стакана и возможности извлечения инструмента из скважины. Кроме того, из-за роста сил сопротивления скорость внедрения заметно снижается по мере внедрения стакана. Обычно рекомендуется углубка за рейс в пределах 0,2-0,6 м, хотя в отдельных благоприятных случаях она может достигать 1,0 и даже 1,5 метра.

Выбор того или иного варианта ударного бурения грунтов зависит от свойств пород, требования к качеству образцов и глубины скважины. Наиболее важно сохранить свойства образцов при бурении в рыхлых, слабых породах. Более высокое качество образцов в этом случае даёт «клюющий» способ. В рыхлых грунтах он будет и более производительным, имея углубку за рейс 15-20 см. Надо учитывать, что с увеличением глубины скважины производительность «клюющего» способа бурения будет заметно снижаться за счет возрастания затрат времени на подъём и сброс стакана. Следовательно, «клюющий» способ бурения следует применять в рыхлых породах при малой глубине скважины. Забивной вариант ударного бурения более эффективен в плотных грунтах и при большей глубине скважин (более 10-15 м.)

При ударном бурении грунтов, как и для всех видов бурения, выделяется две основные группы технических средств: буровой инструмент и буровое оборудование.

Буровой инструмент для ударного бурения грунтов содержит: стаканы, утяжелители, забивные патроны, желонки.

Стакан - отрезок трубы, имеющий на нижнем конце заострённую режущую кромку, а на верхнем - резьбу для присоединения утяжелителя или ударного патрона. В зависимости от условий бурения применяются различные по конструкции стаканы (рис 8.3).

Режущая кромка может быть выполнена непосредственно на теле трубы или на отдельном кольце-«башмаке», закрепленном на нижнем конце стакана резьбой, заклёпками или сваркой. При бурении рыхлых грунтов применяются башмаки с внутренним скосом, что позволяет за счет некоторого уплотнения породы удерживать образец в стакане при подъёме его из скважины. В плотных грунтах надо применять башмак с наружным скосом, чтобы предотвратить преждевременное уплотнение породы внутри стакана, что приводит к образованию «пробки» и прекращению углубки. При бурении несвязных грунтов применяют стаканы с клапаном или желонки.

Наиболее трудоёмкой операцией при ударном бурении является извлечение образца из стакана. Для облегчения извлечения породы обычно стаканы имеют один или два продольных выреза. Такие конструкции наиболее просты и надёжны, однако, извлечение образца из них весьма трудоёмко и при извлечении нарушается качество образца. Этих недостатков лишены стаканы с разъёмным корпусом, ещё лучше, когда в разъёмном корпусе размещается бумажная или полимерная гильза. Значительно облегчается извлечение породы, и сохраняется качество образца при использовании поршневого стакана. В таком стакане при бурении поршень находится в его верхней части. На поверхности в отверстие поршня вставляется неподвижный штырь, стакан натяжением каната перемещается вверх и поршень аккуратно выдавливает образец.

Утяжелитель или ударная штанга присоединяется к стакану при клюющем способе и представляет собой сплошной металлический стержень с резьбой на нижнем и с серьгой для каната на верхнем концах (рис. 8.4 а).

При забивном варианте ударного бурения к стакану присоединяется забивной патрон (рис. 8.4 б), состоящий из корпуса, наковальни и бойка с серьгой для каната.

Рис. 8.3. Стаканы для ударного бурения грунтов

а - наконечник с внутренним скосом, б - наконечник с наружным скосом,

в - забивной стакан, г - стакан с клапаном (желонка), д - разъемный стакан, е - разъемный стакан с гильзой (1 – разъемный корпус 2 – керноприемная гильза), ж-поршневой стакан (1-поршень, 2-отверстие в поршне для штыря, 3-фиксатор поршня, 4- пазы в корпусе стакана

Стаканы обычно изготавливаются из стандартных обсадных труб или ниппельных заготовок с наружными диаметрами 73, 89, 108, 127, 146, 168, 219, 273 мм. Длина стаканов от 0,5 до 1,5 метра.

Оборудование при ударном бурении грунтов представлено буровой установкой, в состав которой входит легкая рама на одноосном прицепе, небольшая мачта, лебедка и двигатель внутреннего сгорания. Ударное воздействие осуществляется подъёмом и сбрасыванием стакана с лебедки станка при ручном управлении лебедкой. Наиболее характерные установки для ударного бурения грунтов: УПБ-15М (рис. 8.5), УБП-15М-гидропроекта, БУКС-ЛГТ – Ленгипротранса. Основные данные этих установок приведены в табл.8.2.

Из универсальных установок, предназначенных для различных видов бурения, для ударного бурения грунтов могут использоваться БУЛИЗ-15, УБР-2М, БУГ-100 и некоторые другие.

Таблица 8.2. Характеристика установок для ударного бурения

Параметры	Д-5-25	УБП-15М	БУКС-ЛГТ
Глубина бурения, м	25	15	15
Диаметр скважин, мм	146	168	168
Высота мачты, м	4,0	5,6	5,0
Масса, кг	345	1000	440

а б

Рис. 8.4. Ударная штанга

а - утяжелитель,

б - забивной патрон для ударного бурения грунтов

Р ис. 8.5. Буровая установка ударного бурения грунтов УБП-15М

1-каток; 2-стопор шнековый;

3-анкер; 4-лебедка ручная; 5-рама;

6-двигатель; 7-бензобак; 8 -вспомогательный канат; 9-канат; 10-молот; 11-мачта; 12-центратор;

13-направляющий ролик; 14-лебедка; 15-редуктор; 16-задняя опора; 17-ящик для инстумента

Большое разнообразие инструмента и оборудования для ударного бурения грунтов (как и для некоторых других видов неглубокого бурения) вызвано не столько разнообразием геолого-технических условий, сколько многочисленностью организаций (ведомств), создающих такую технику.

Ударно-канатное бурение

Термин ударно-канатное бурение в отличие от ударного бурения грунтов, т.е. кольцевым забоем, применяется к классической разновидности ударного бурения, когда порода разрушается по всей площади забоя долотом, а затем разрушенная порода извлекается из скважины другим инструментом – желонкой. Хотя объёмы и области применения ударно-канатного бурения постепенно сокращаются, оно имеет ещё довольно широкое применение при разведке россыпей, бурении гидрогеологических и водозаборных скважин и небольшое применение при разведке стройматериалов и бурении специальных скважин.

П рименяется ударно-канатное бурение практически в любых породах, включая валунные и крупнообломочные отложения. Глубина скважин обычно до 50-150 м., но отдельные достигают 300 и даже 500 метров, диаметры скважин от 150 до 900 мм.

Достоинствами ударно-канатного бурения является высокое качество (не загрязненность) проб, максимальный дебит водозаборных скважин, вертикальность ствола скважины, возможность проходить скважины в особо сложных геологических условиях, в частности с одновременной или опережающей обсадкой скважины трубами. Недостатки – низкая производительность, большие затраты обсадных труб (металлоемкость).

Буровой инструмент

В ударно-канатном бурении выделяется четыре группы бурового инструмента: технологический, включающий буровой снаряд и желонки, вспомогательный для сборки снаряда и работы с обсадными трубами, специальный – обсадные трубы и приспособления для преодоления осложнений в скважине и аварийный.

Для разрушения породы используется буровой снаряд, состоящий из четырех элементов: долото, ударная штанга, раздвижная штанга и канатный замок (рис. 8.6). В отдельных случаях при бурении неглубоких скважин в мягких породах в снаряд можно не включать раздвижную штангу, а иногда и канатный замок.

Долота (рис.8.7) изготовляются из углеродистой инструментальной стали с последующей термической обработкой. В нижней части долота имеется лезвие-5, в верхней части-шейка 2, заканчивающаяся конусной резьбой 1. Между шейкой и лезвием находятся лопасти 3 с боковыми ребрами 4, служащими для округления стенок скважины. Угол заточки лезвия долота (угол приострения) выбирается в зависимости от твердости буримых пород от 70° для мягких пород, до 130° для самых твердых пород и валунов. Поскольку ударно-канатное бурение применяется в различных породах, в соответствии с породами используются и разные типы долот.

Рис. 8.6. Буровой снаряд для ударно-канатного бурения

1 - долото, 2 - ударная штанга, 3 - раздвижная штанга, 4 - канатный замок

В мягких породах применяется плоское долото с углом приострения лезвия 70-90° (рис. 8.7 а), в вязких, липких породах, сухих глинах и в галечниках лучше использовать двутавровое долото, лезвие которого имеет выступающие в обе стороны борта, способствующие формированию округлой формы забоя (рис. 8.7 б), в твердых породах и при встрече валунов в мягких породах применяется округляющее долото, оно имеет широкие ребра и вогнутое лезвие с углом приострения 110-130° (рис. 8.7 в) и отличается массивностью, в трещиноватых породах во избежание заклинивания долота и при встрече одиночных валунов во избежание искривления скважины надо применять крестовое долото (рис. 8.7 г). Размеры долот выбирают в зависимости от диаметра скважины и с учетом получения оптимального веса снаряда. Крайние значения параметров долот приведены в табл. 8.3.

Таблица 8.3. Предельные значения основных параметров долот

Параметры	от	до
Длина лезвия долота, мм	148	850
Длина долота, мм	650	1500
Масса долота, кг	42	1400

Рис. 8.7. Долота для ударно-канатного бурения

а – плоское, б – двутавровое,

в – округляющее, г - крестовое

В процессе работы лезвие долота затупляется и долото необходимо перезаправить, что выполняется отковкой лезвия долота в кузнице. Поскольку перезаправка долот и особенно их транспортировка весьма трудоемки, были разработаны и успешно применяются долота со сменными лезвиями. Такие долота, кроме снижения трудоемкости по перезаправке, являются и более износостойкими, а также позволяют оперативно подбирать тип лезвия (долота) и угол его заточки при изменении буримых пород.

Долото со сменным лезвием (рис.8.8) состоит из корпуса 1 и лезвия 2. На корпус для обеспечения жесткости и прочности лезвия насаживается на гладкие шпильки 3, которые воспринимают тангенциальные нагрузки. Крепление лезвия к корпусу производится центровой шпилькой 4, один конец которой ввинчен в лезвие, другой притянут гайкой 5,опирающейся на шайбу 6. Самоотвинчивание гайки предотвращают штифты 7, вставленные в зазоры между стенкой окна корпуса и ее лысками на поверхности.

К репление различных типов лезвий к корпусу долота идентично, это и создает возможность при их смене получать долото различного назначения.

Ударная штанга предназначена для увеличения и регулирования массы бурового снаряда. Она представляет собой круглый сплошной стальной стержень с резьбовыми концами. Ударная штанга может быть гладкой или с высаженными концами (рис. 6). Длина ударных штанг для удобства подбора рациональной массы снаряда может быть 2, 4 и 6 метров, диаметры от 112 до 220 мм, масса от 300 до 1300 кг.

Раздвижная штанга (ножницы). Для нормального бурения и разрушения породы на забое скважины участие раздвижной штанги в буровом снаряде не требуется, а включается она в снаряд с профилактической целью на случай заклинивания или прихвата долота. В таких случаях раздвижная штанга позволяет выбивать заклиненный снаряд.

Рис. 8.8. Долото со сменными лезвиями

Раздвижная штанга (рис. 8.6) состоит из двух, скользящих относительно друг друга, звеньев. У рабочей раздвижной штанги относительный ход звеньев 250 мм, у аварийной – 500 – 600 мм. Диметр у раздвижных штанг от 120 до 260 мм, длина (в раздвинутом состоянии) от 1600 до 2200 мм, масса от 112 до 490 кг. Следует иметь в виду, что при оценке веса снаряда, участвующего в разрушении породы, надо учитывать только половину веса раздвижной штанги.

К анатный замок с поворотным устройством (рис.8.9) предназначен для обеспечения надежного крепления снаряда с канатом и для автоматического равномерного поворачивания снаряда после каждого удара по забою. Замок состоит из корпуса с резьбой в нижней части для соединения со снарядом и втулки с внутренним конусом, свободно размещенной в цилиндрической расточке корпуса. Надежность закрепления каната достигается тем, что пропущенный в отверстие замка и втулки конец каната расплетается и каждая проволочка загибается вверх, затем эта часть каната с большим усилием станком затягивается в коническую часть втулки и заливается в ней расплавленным свинцом. Поворачивание снаряда происходит за счет раскручивания каната при подъёме снаряда под действием натяжения и обратного закручивания каната. Для облегчения поворачивания втулки между ней и корпусом устанавливается бронзовая шайба, а в корпусе делаются боковые отверстия для проникновения жидкости, снижающей трение.

Рис. 8.9. Канатный замок с поворотным устройством

1 - корпус замка, 2 - втулка, 3 - шайба

При ударно-канатном бурении для удаления разрушенной породы, а при проходке несвязных рыхлых пород и для непосредственного бурения, применяются желонки.

Ж елонка представляет собой отрезок трубы, снабженный на нижнем конце башмаком с заостренной кромкой и клапаном, и с резьбой или серьгой на верхнем конце. Желонки в зависимости от условий бурения различаются размерами и конструкцией клапана, в отдельных случаях применяются поршневые желонки (рис.8.10).

Рис.8.10. Желонки для ударно-канатного бурения

а - с плоским клапаном, б - с двустворчатым клапаном,

в - с полусферическим клапаном и копьем, г - поршневая желонка

Для бурения плывучих песков и для чистки скважины при проходке скальных пород применяются желонки с плоским клапаном, при бурении рыхлых пород и для чистки скважины в глинистых породах лучше применять желонку с полусферическим клапаном и языком (копьем). В желонках большого диаметра применяется двустворчатый клапан с ножом, в валунно-галечных отложениях успешно применяются желонки с двустворчатым клапаном типа «ангара». В продуктивной зоне россыпных месторождений, где требуется особо тщательное опробование, применяют поршневые желонки.

Для опоражнивания желонок на поверхности их либо переворачивают, либо ставят клапаном на специальный металлический колышек, легче всего опоражнивается желонка с клапаном с языком, которую достаточно поставить языком на землю, и клапан сам открывается.

Основные размеры желонок по длине от 3200 до 6200 мм, диаметры от 120 до 530 мм, масса от 85 до 800 кг.

Стальные канаты при ударно – канатном бурении применяются непосредственно при проходке ствола скважины, для работы с желонками при чистке скважины, при операциях с обсадными трубами, а также для укрепления мачты. Такое широкое применение стальных канатов при бурении скважин ударно – канатным способом требует его правильного выбора и обслуживания.

Канаты изготавливают из стальных тонких проволочек, скрученных в пряди, которые свивают вокруг органического (чаще всего пенькового) сердечника. Сердечник пропитывают специальным смазочным материалом, в процессе работы смазка выжимается из сердечника в пряди, благодаря чему канат смазывается. Кроме того, органический сердечник придает канату гибкость, округлую форму и равномерно распределяет нагрузку между прядями.

Материалом для изготовления канатов служит высококачественная сталь с пределом прочности на растяжение 1600 – 1800 МПа.

На буровых работах наибольшее распространение получили шестипрядные канаты двойной свивки следующих конструкций 6×19+10С, 6×37+10С, где 6 – число прядей; 19, 37 – число проволок в каждой пряди и один органический сердечник (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Стальные канаты

а - поперечное сечение каната, 1 - проволоки, 2 - пряди, 3 - органический сердечник; б - характер и направление свивки каната, I – канат прямой левой свивки, II - канат крестовой левой свивки, III - канат прямой правой свивки, IV - канат крестовой правой свивки

По виду свивки различают:

канаты прямой (параллельной) свивки, при которой проволоки в прядях и пряди свиты в одном направлении;

канаты крестовой свивки, когда проволоки в прядях и пряди свиты в противоположных направлениях;

канаты комбинированной свивки, когда направление свивок проволоки в рядом лежащих прядях различно (чередующиеся).

По направлению свивки канаты могут быть правого и левого направления. Направление свивки для канатов определяется по направлению винтовой линии свивки прядей.

Инструментальные канаты при ударно–канатном бурении должны раскручиваться под нагрузкой и скручиваться после ее снятия. Этим требованиям отвечают канаты прямой свивки.

В процессе ударно – канатного бурения буровой снаряд после каждого удара о забой должен поворачиваться вправо, поэтому направление свивки прядей в инструментальном канате должно быть левое, что препятствует самопроизвольному развинчиванию бурового снаряда. Таким образом, инструментальный канат должен иметь прямую левую свивку.

Желоночные канаты принимаются крестовой свивки с правым или левым направлением свивки прядей в канате; то же относится и к талевым канатам.

Рабочий инструментальный канат при ударно–канатном бурении выбирают по разрывному усилию с 12 – кратным запасом прочности на весу Q бурового снаряда или желонки со шламом, т. е.

Р_раз=12Q, здесь (8.4)

Q=k (Q_ин+q_к·ℓ_к), (8.5)

где k= 1,2 - 1,3 и 1,5 – 2,0 коэффициент, учитывающий прихваты соответственно бурового снаряда и желонки; Q_ин – вес бурового снаряда (желонки), Н; q_к – вес 1м каната, Н; ℓ_к – максимальная длина каната находящегося в работе, м.

Выбранный в специальной таблице канат по максимальному разрывному усилию проверяют на прочность по суммарному напряжению, возникающему от действия растягивающих и изгибающих нагрузок.

Суммарное напряжение σ_Z (МПа) рассчитывается по формуле

σ_Z= σ_р + σ_из= , (8.6)

где σ_р и σ_из – предел прочности материала, соответственно, при растяжении и изгибе, МПа; F – площадь всех проволок в канате, м²; с=0,35 – 0,75 – коэффициент, учитывающий напряжение кручения в проволоках, трение между проволоками и условия работы каната; Е=2,1×10⁵ МПа – модуль продольной упругости материала каната; D_ш – диаметр шкивов (роликов) ударного механизма и кронблока, м; d_n –диаметр проволоки, м.

После определения суммарных напряжений находится действительный запас прочности каната по формуле

, (8.7)

где К_q – действительный запас прочности каната; σ_в – временное сопротивление материала каната растяжению, МПа (по характеристике каната).

Действительный запас прочности каната должен быть не менее 4, в противном случае подбирают более прочный канат.

Прочность и длительность службы канатов во многом зависит от правильной их навески и ухода за ними и грузоподъемным оборудованием в процессе эксплуатации. Необходимо систематически проверять поверхность канавок роликов блоков и барабанов лебедок, следить чтобы на них не было заусенец и раковин, избегать перекрещивания каната при намотке его на барабан лебедки, не допускать образования петель и переломов. Канаты необходимо смазывать специальной канатной смазкой, изготовленной на основе битумов гудронов.

Правилами безопасности запрещается эксплуатация канатов: с одной оборванной или вдавленной прядью, при числе оборванных проволок более 5% на длине шага свивки каната диаметром до 20 мм канатов, срощенных узлами, и с выступающими иглами проволок.

Обсадные трубы при ударно-канатном бурении применяются для закрепления и изоляции уже пробуренного интервала скважины или для перекрытия ствола в неустойчивых породах одновременно с углубкой, причем нижний конец колонны труб может погружаться как вслед за забоем, так и впереди забоя скважины. В большинстве случаев обсадные трубы при ударно-канатном бурении погружаются в скважину принудительно путем забивания, поэтому они выполняются из стали и являются толстостенными. Длина одной трубы может быть от 2 до 12 метров. При большей глубине закрепляемого интервала скважины обсадные трубы соединяются в колонну. Соединение обсадных труб может быть резьбовое труба в трубу или муфтами, трубы больших диаметров соединяются сваркой их торцов непосредственно при спуске в скважину. Обсадные трубы ударно-канатного бурения те же, что и трубы вращательного бурения водозаборных и нефтегазовых скважин. Они выпускаются в большом диапазоне размеров с наружным диаметром от 114 до 508 мм. Наиболее характерные размеры обсадных труб приведены в табл. 8.4.

Таблица 8.4. Размеры наиболее используемых обсадных труб

Размер, дюйм	Наружный диаметр, мм	Диаметр муфты, мм	Толщина стенки, мм	Масса 1м/кг	Тип соединения
6''	168	198	6 8	26 32	Труба в трубу
8''	219	245	7 8	37 47	Труба в трубу и муфтовое
10''	273	299	9	59
12''	324	351	10	78

Вспомогательный инструмент включает инструмент для сборки-разборки бурового снаряда и инструмент для работы с обсадными трубами.

При сборке бурового снаряда могут использоваться резьбовые переводники, предназначенные для соединения инструментов, имеющих разные конусные резьбы, ключи инструментальные, трещетка затяжная. Ввиду того, что при свинчивании буровых инструментов на рукоятку ключа прилагаются большие усилия (до 30 кН), инструментальные ключи изготовляются массивными с большим плечом. Трещотка затяжная позволяет получить усилие на плече ключа до 3 тонн, состоит из дугообразной зубчатой рейки, неподвижного упора и подвижного башмака с рычагом.

Для работы (погружение, извлечение) с обсадными трубами применяются башмаки забивные (гладкие) с заостренной внутренней кромкой, закрепляемые на нижнем конце обсадных труб и облегчающие внедрение труб, бабы забивные массой до 1000 кг, хомуты для обсадных труб, головки забивные резьбовые и ступенчатые, выбивные снаряды и другие инструменты.

Аварийный (ловильный) инструмент. В отличие от общетехнического употребления термина «авария», когда имеются в виду крупные повреждения с серьезными последствиями, в бурении аварией называется любая поломка или осложнение, в результате которого инструмент не может быть извлечен из скважины обычными средствами. При ударно-канатном бурении авария может быть связана с обрывом каната, развинчиванием или обрывом частей бурового снаряда, заклиниванием снаряда в скважине. Аварийный инструмент предназначен соответственно для ловли и захвата оборванного каната, отвернувшихся или обломанных частей снаряда, освобождение и извлечение прихваченного снаряда. В последнем случае часто бывает необходимо обрубить канат от прихваченного снаряда. Аварийный инструмент для этих случаев представлен: ершами однорогим и двурогим (вилкообразным), ловильником, канаторезкой, обуриващим долотом, пауком для ловли мелких предметов, упавших в скважину. Аварийные инструменты спускаются в скважину в составе аварийного снаряда, включающего также ударную штангу, аварийную раздвижную штангу и канатный замок. Устройство и принцип работы аварийных инструментов ясен из рис. 8.12.

Оборудование для ударно-канатного бурения

Для ударно-канатного бурения применяется несколько типов буровых станков, имеющих аналогичную конструкцию и различающихся лишь устройством отдельных узлов и некоторыми параметрами. Все ударно-канатные станки, передвижные или ограниченно самоходные, имеют в своем составе мачту, ударный механизм, два или три барабана (лебедки) и, как правило, электропривод. Общие требования к станкам максимальная простота, прочность, надежность. С учетом области применения выпускается две группы станков ударно-канатного бурения: станки УГБ (установка гидрогеологического бурения) – УГБ-ЗУК (УКС-22М) и УГБ-4УК (УКС-30М), применяемые главным образом при бурении гидрогеологических и водозаборных скважин и станки серии БУ-20-2 (БУ- 20-2М, БУ-20-2УШ, БУ-20-3) и станок «Амурец», применяемые при разведке россыпных месторождений.

а б в г

Рис. 8.12. Аварийный инструмент для ударно-канатного бурения

а - ерш однорогий, б - ерш двурогий с вилкой, в - канаторезка, г - ловильник (шипс)

Основным характерным узлом станка ударно-канатного бурения является ударный механизм. Во всех перечисленных станках применен классический ударный механизм шатунно-кривошипного типа с оттяжной (балансирной) рамой. При работе ударного механизма на станок действуют значительные динамические нагрузки явно неблагоприятные для срока службы станка. Для их снижения на станке обязательно устанавливается амортизатор. У станков УГБ (УКС) амортизатор устанавливается непосредственно на ударном механизме, на оттяжном ролике, у станков БУ амортизатор устанавливается на мачте под головным роликом. Геометрия ударного механизма выполняется таким образом, что угол сбрасывания снаряда – α₁ был меньше, чем угол подъема снаряда – α₂ . Это обеспечивает более быстрое падение снаряда, более эффективный удар по породе забоя и более плавный подъем снаряда. Обычно α₁ < α₂ на 15-20º рис.8.13. Кинематическая схема ударного механизма приведена на рис. 13, ударный вал приводится во вращение от главного вала посредствам зубчатой передачи. На ударном валу закреплен кривошип – 1. Пальцы – 2 кривошипа описывают окружность радиуса r, они входят в нижние головки шатунов – 3. Верхние головки шатунов в точке А шарнирно соединены с оттяжной рамой – 4 на переднем конце рамы установлен оттяжной ролик – 5 другой конец оттяжной рамы закреплен на направляющим валике – 6, несущем направляющей ролик –7. Инструментальный канат – 8 огибает ролики 7 и 5 оттяжной рамы, а затем ролик на вершине мачты и направляется в скважину.

Движение бурового снаряда в скважине определяется движением точки А, в которой шатун шарнирно сочленен с оттяжной рамой. При вращении кривошипа точка А описывает дугу А А₁. Положение точки А на схеме соответствует максимальному подъему оттяжного ролика, а точки А₁ – наиболее низкому положению оттяжного ролика.

Кроме ударного механизма в состав ударно-канатного станка входят три или два барабана (лебедки): инструментальный для спуска и подъема бурового снаряда и обеспечения подачи снаряда с тормоза в процессе углубки скважины, желоночный для спуска и подъема желонки и талевый, трос с которого пропускается через талевую систему и он служит для спуска и извлечения тяжелых обсадных колонн. В станках БУ талевый барабан отсутствует, поскольку станки предназначены для бурения неглубоких скважин на россыпях. Еще одно различие между станками УГБ и БУ, связанное с условиями их применения. Станки УГБ устанавливается на колесном прицепе, БУ на гусеничной самоходной тележке с приводом от электродвигателя станка с возможностью перемещения на длину кабеля (примерно на 0,5 км), обычно в пределах разведуемой площадки россыпи. Как привило, станки ударно-канатного бурения имеют электропривод, как более устойчивый на динамические нагрузки, исключением является вариант станка УГБ-ЗУК (УКС-22МД) с приводом от дизельного двигателя.

А

4

5

6

7

Рис. 8.13. Кинематическая схема ударного механизма

За рубежом выпускаются станки ударно-канатного бурения аналогичных конструкций, часто с дизельным приводом. Кинематическую схему и устройство ударно-канатных станков рассмотрим на примере установки УГБ-3УК (рис. 8.14). Буровой станок смонтирован на стальной металлической раме 6, установленной на осях, оснащенных двухколесными скатами 7. От двигателя 1 вращение передается клиноременной передачей 10 на шкив главного вала 3, от которого с помощью зубчатых колес приводятся в движение вал ударного механизма 29, желоночный 4 и талевый 5 барабан при включении соответствующей фрикционной муфты.

С главного вала вращение через цепную трансмиссию передается на инструментальный барабан 2. Включение фрикционных муфт главного вала осуществляется рычагами управления 15.

Ударный механизм станка кривошипно-шатунного типа с оттяжной рамой (балансиром) оснащен амортизационным устройством. Кривошип 31 ударного механизма 8, получающий вращение от шестерни 30, с помощью пальцев 32 шарнирно соединен с шатунами 33, которые, в свою очередь, шарнирно соединены с оттяжной рамой 13. Инструментальный канат 25 с инструментального барабана 2 проходит через направляющий 12 и оттяжной 14 колики рамы и далее на мачту к ролику 23. Конец каната, переброшенного через мачту, закрепляют в канатном замке, с которым соединяют буровой инструмент.

а

Рис. 8.14. Установка УГБ-3УК

а-общий вид; б- кинематическая схема

При передаче движения на вал ударного механизма оттяжная рама, соединенная шатуном с валом кривошипа, начинает качаться относительно оси подвеса. Движение оттяжного ролика при заторможенном инструментальном барабане обеспечивает подъем и сбрасывание ударного инструмента на забой. Высота подъема бурового снаряда над забоем регулируется за счет изменения рабочего радиуса кривошипа, для чего кривошип имеет рад отверстий под пальцы шатуна, расположенные на различном расстоянии от оси ударного вала. Частота сбрасывания снаряда на забой изменяется путем замены шкивов на валу электродвигателя.

Инструментальный барабан 2 имеет делительный диск, отделяющий рабочую часть каната от всей его массы.

Работа желонки осуществляется с помощью желоночного барабана 4. Канат желоночного барабана 11 перекинут через ролик на вершине мачты и конец его присоединен к желонке. На мачте установлены три ролика 27 для каната талевой системы, связанной с талевым барабаном.

В транспортном положении мачта укладывается на опоры 18 и 9. Подъем мачты в рабочее положение осуществляется с помощью червячной лебедки 35, получающей вращение от шестерни привода желоночного барабана z=95 при установке дополнительной шестерни z=33, связанной червячной парой с лебедкой. Канат 34 лебедки 35 проходит через систему направляющий роликов и закрепляется на мачте. При включении электродвигателя и желоночного барабана вращение через зубчатые шестерни будет передано на барабан лебедки подъема мачты за счет ее поворота вокруг шарнирной опоры 18. С помощью двух винтовых домкратов, состоящих из винта 20, гайки 21 и опоры 22, мачту поддомкрачивают, что разгружает раму станка и передает основную нагрузку на грунт.

Мачта состоит из двух телескопических звеньев. Верхнее звено 28 выдвигается из нижнего 16 с помощью червячной лебедки. Жесткое крепление верхнего и нижнего звеньев мачты обеспечивается болтовым соединением.

На мачте закрепляется защитное приспособление 17 и направляющий ролик 19. Устойчивость мачты достигается раскреплением ее трубчатыми растяжками 26 и тремя канатными растяжками 24.

Основные данные станков ударно-канатного бурения приведены в табл.8.5.

Таблица 8.5. Основные параметры станков ударно-канатного бурения

Параметры	Гидрогеология		Разведка россыпей		Р-600 / Испания /
	УГБ-ЗУК УКС-22М	УГБ-4УК УКС-30М	БУ-20-2УШ	БУ-20-3
Глубина скв. м.	300	500	200	250	600
Диаметр скв. мм.	600	900	400	250	650
Масса снаряда, кг.	1300	2500	1200	1400	3000
Мощность привода, кВт.	Электродвигатель 22 40 Дизель 33		Электродвигатель 22 28		Дизель 66
Масса станка, кг.	7600	12700	11400	12500	12500
База	Колесный прицеп		Гусеничная самоходная тележка		Съемная автоплатформа

Технология ударно-канатного бурения

Технология ударно-канатного бурения включает ряд последовательно принимаемых решений, определяющих характер выполнения операций по бурению скважины. Основные позиции технологии:

1. Выбор типа и параметров долота – долото выбирается в соответствии породами, представленными в разрезе скважины. При несущественных различиях пород скважина может буриться одним типом долота, при резкой смене пород следует заменить долото. Для мягких связных пород следует применять плоское долото, мягкие вязкие породы и плотные сухие глины – двутавровое долото, твердые породы – округляющее долото, твердые трещиноватые и валунные породы – крестовое или округляющее долото. В соответствии с породами выбирается и угол приострения долота – от 60º-80º для мягких пород до 130º-140ºдля наиболее твердых пород.

2. Состав снаряда выбирается в соответствии с условиями бурения. При наиболее благоприятных условиях и небольшой глубине скважины можно использовать упрощенный снаряд без раздвижной штанги, иногда вместо канатного замка к ударной штанге присоединяется серьга и снаряд соединяется с канатом быстроразъемным соединением, что позволяет использовать ударный механизм для работы и со снарядом и с желонкой. В сложных горно-геологических условиях и при значительной глубине скважины снаряд должен быть собран в полном составе.

3. Масса снаряда относится к параметрам режима бурения и рекомендуется в зависимости от диаметра скважины и свойств буримых пород. Масса снаряда, приходящаяся на 1 см длины лезвия долота рекомендуется от 15 до 90 кг.

4. Подача долота – должна обеспечивать наиболее полное использование энергии удара для разрушения породы на забое и при этом не допускать прослабления каната в избежания ухудшения отделения породы от забоя и рывков каната. Подача осуществляется с тормоза инструментального барабана таким образом, чтобы в свободном состоянии в нижней точке долото едва касалось забоя, а при значительной глубине скважины и при бурении в твердых породах не доставало до забоя на 2-5 см. Эта величина называется навеской долота и обеспечивает резкий удар за счет растяжения каната и деформации амортизатора в момент остановки оттяжного ролика в верхнем положении.

5. Высота сбрасывания долота определяет энергию удара и, следовательно, эффективность разрушения породы. Чем тверже порода, тем больше должна быть высота сбрасывания. Обычно высота сбрасывания находится в пределах 350-1100 мм. Изменение высоты сбрасывания осуществляется перестановкой пальца кривошипа в другое отверстие кривошипа соответствующего радиуса.

6 Частота ударов снаряда, осуществляемых ударным механизмом, имеет важное значение для оптимизации процесса бурения. Частота ударов и соответствующая ей скорость движения каната должна обеспечивать свободное падение снаряда в жидкости. При слишком быстром движении оттяжного ролика снаряд не будет успевать падать, произойдет прослабление каната и сильный последующий рывок, а при недостаточной частоте будет происходить замедление падения снаряда и снижение силы удара по забою.

Практически изменение частоты ударов у отечественных станков ударно-канатного бурения осуществляется сменой шкивов на валу электродвигателя. У станков БУ имеется две, а у станков УГБ три частоты ударов от 40 до 56 в минуту. Частота ударов выбирается в зависимости от характера проходимых пород и высоты сбрасывания снаряда, причем большее значение частоты выбирается для более твердых пород.

7. Высота столба пульпы в скважине должна обеспечивать переход разрушенной породы во взвешенное состояние и при этом создавать не слишком большие сопротивления падению снаряда. При наличии грунтовых вод высота столба жидкости в скважине определяется статическим уровнем, при их отсутствии вода заливается в скважину для создания столба жидкости высотой от 1,0 до 3,0 м, тем больше, чем мягче порода. После извлечения шлама в виде пульпы желонкой, вода вновь подливается в скважину.

8. Плотность пульпы. Для эффективного перехода частиц породы с забоя во взвешенное состояние целесообразно поддерживать оптимальную плотность пульпы. Чем выше плотность пульпы, тем легче переходят во взвесь и удерживаются частицы шлама. По этому соображению плотность пульпы желательно повышать как можно больше и доводить до 2,0-2,5 г/см³. С другой стороны с увеличением плотности пульпы заметно снижается скорость падения снаряда. Так при увеличении плотности пульпы с 1,2 до 2,2 г/см³ скорость падения долота в момент удара снижается почти в два раза. Учитывая обе стороны влияния, плотность пульпы рекомендуется поддерживать в пределах 1,5 -2,0 г/см³.

9. Углубка за рейс. По мере работы долота на забое происходит разрушение породы, переход ее во взвешенное состояние и рост плотности пульпы. Последнее обстоятельство приводит к снижению скорости падения долота и энергии удара, ухудшению очистки забоя и, как следствие, к снижению скорости бурения. В результате наступает момент, когда дальнейшее бурение становится нецелесообразно и необходимо произвести чистку скважины. Величина углубки за рейс в зависимости от свойств пород рекомендуется от 0,3 м в твердых породах до 1,2 м в мягких породах.

10. Время долбления, зависящее от скорости бурения и рациональной углубки за рейс, обычно составляет от 3-4 мин в мягких до 25-40 минут в твердых породах.

Сводные значения технологических параметров ударно-канатного бурения приведены в табл. 8.6.

Извлечение разрушенной породы (очистка скважины) осуществляется желонками различных конструкций в зависимости от геологических условий и задач бурения. Как уже отмечалось, для извлечения породы в скважине должен быть столб жидкости высотой не менее 1-3 метра. Обычно чистка скважины выполняется за 3-4 сбрасывания желонки. При отсутствии особых требований по опробованию в скважине рекомендуется оставлять часть плотной пульпы, чтобы к началу следующего долбления после подлива воды плотность пульпы была достаточна для удержания разрушенной породы, т.е. более 1,3-1,5г/см³.

Таблица 8.6. Технологические параметры ударно-канатного бурения

Параметры	Породы
	Мягкие	Средние	Крепкие	Очень крепкие
Угол приострения долота, град	70-80	90-110	110-130	120-140
Удельная масса снаряда, кг/1см	15-40	30-50	40-70	50-90
Высота сбрасывания, м	0,35-0,5	0,5-0,9	0,9-1,0	1,0-1,1
Число ударов в минуту	40-45	45-50	45-55	45-55
Высота столба пульпы, м	3,0	2,0	1,5	1,0
Углубка за рейс, м	1,0-1,2	0,7-0,9	0,5-0,6	0,3-0,4

Особенности технологии ударно-канатного бурения в различных геологических условиях

Твердые скальные породы. Бурение ведется снарядом с максимально возможной массой и с округляющим или крестовым (если породы трещиноватые) долотом. Основное внимание должно уделяться контролю за износом долота по длине лезвия (по наружному диаметру), так как такой износ приводит к зауживанию ствола скважины и последующему заклиниванию снаряда. При износе более чем на 3 мм долото или его лезвие надо заменить. Важно следить за надежностью соединений снаряда, которые при сильных жестких ударах могут самопроизвольно развинчиваться. Диаметр желонки при бурении в твердых породах выбирается на 25 мм меньше диаметра долота. В трещиноватых и закарстованных породах бурение надо вести с дополнительными мерами предосторожностями, в виду возможного обрушения стенок скважины. В таких случаях бурение ведется с использованием густой вязкой пульпы, для чего в скважину забрасывается 10-15 кг жирной глины на 1 м бурения. При возможности бурение ведется с одновременной обсадкой скважины трубами.

Глинистые породы. Бурение ведется двутавровым или плоским долотом с подливом 2-3 ведер воды. Извлечение шлама желонкой с плоским клапаном. Песчаные глины, супеси, суглинки можно проходить стаканами или желонкой без клапана (как при ударном бурении грунтов).

Пластичные вязкие глины можно успешно проходить без желонки плоским долотом с приваренным в крест основному дополнительным лезвием. В скважину доливается, такое количество воды, чтобы при работе долота образовалась тестообразная масса, которая налипала бы на долото, и поднималась с ним на поверхность. При такой методике исключается операция чистки скважины, и производительность увеличивается в 1,5-2,0 раза. В устойчивых глинах бурение возможно без обсадки трубами интервалов до 50-70 метров.

Пески. Бурение ведется непосредственно желонкой с плоским или полусферическим клапаном с языком с одновременным креплением стенок скважины обсадными трубами. Во избежание заклинивания или прихвата породой желонки в трубах, её диаметр должен быть меньше внутреннего диаметра труб на 100 мм. Нельзя допускать остановки желонки на забое, переполнения ее породой, выход желонки ниже башмака обсадных труб не должен быть больше чем на 0,5-0,75 м бурение в песках следует вести при минимальном числе ударов желонкой, для лучшего забора песка рекомендуется забрасывать жирную глину и подливать воду. В песках – плывунах работать желонкой можно с использованием ударного механизма при максимальном числе ударов и при минимальной высоте сбрасывания. При пересечении скважиной напорных плавунов за счет пластового давления песок может подниматься в трубах (скважина падает), образуя в них пробку высотой до 5-10 метров. Для предотвращения и борьбы с пробками в скважину надо подливать воду или глинистый раствор для создания противодавления на пласт, особенно при подъеме желонки.

Галечники, гравий. Бурение ведется двутавровым долотом и желонкой с плоским клапаном и низким башмаком. При проходке глинистой породы с галечником бурение можно вести без применения долота непосредственно желонкой с двустворчатым клапаном и ножом. При проходке чистых галечников и гравия в скважину нужно сбрасывать жирную глину. Бурение должно вестись с одновременным креплением скважины обсадными трубами.

Валунные отложения. Бурение ведется тяжелыми округляющими или крестовыми долотами с одновременной обсадкой скважины трубами. Валуны размером больше, чем размер обсадных труб надо разбивать долотом, причем, в плотных породах валун разбивается легче, чем в рыхлых. Для избежания искривления скважины при встрече валуна, боком выступающего на забое, в скважину засыпают крупный (4-6 см) щебень крепких горных пород и куски глины, после чего валун разрушают долотом вместе со щебнем. При невозможности разбить валун долотом его разрушают взрывом кумулятивного заряда. Боковые валуны небольших размеров можно забивать в стенку скважины, а затем этот участок перекрыть трубами. Небольшие валуны в рыхлых породах могут успешно извлекаться желонками с двустворчатым клапаном типа «Ангара».

Особенности технологии ударно-канатного бурения скважин

различного назначения

При проектировании и бурении гидрогеологических и водозаборных скважин главная особенность связана с методами и средствами опробования и эксплуатации водоносных горизонтов. Прежде всего, это учитывается в конструкции скважины. Конечный диаметр скважины выбирается из условия размещения в ней необходимого фильтра и водоподъемного средства. Количество обсадных колонн зависит не только от необходимости закрепления неустойчивых участков, но должно обеспечивать изоляцию отдельных водоносных горизонтов для исключения водоперетоков между ними.

При разведке россыпных месторождений основные особенности технологии ударно-канатного бурения связаны с необходимостью обеспечения качественного опробования по полезному ископаемому, при этом технико-экономические показатели бурения имеют вторичный характер. Из требования опробования выбирается диаметр скважины, обычно 168-219 мм, чаще всего скважины одноступенчатые. В рыхлых, сыпучих, обводненных породах бурение ведется с опережающим погружением обсадных труб на величину от 5-10 до 20-50 см – бурение в трубах. В плотных отложениях с включением большого количества валунов допускается отставание башмака обсадных труб от забоя на интервал опробования (обычно 20-50 см) – бурение ниже труб. В мерзлых и плотных устойчивых породах бурение ведется без обсадки скважины трубами – бурение без труб. При всех методах бурения россыпей обязательным является строго поинтервальный отбор проб. Существует определенная связь между параметрами бурения и качеством опробования, поэтому инструмент и режим ударно-канатного бурения выбирается с учетом опробования. Так для качественного опробования предпочтение отдается плоским долотам, меньшей массе снаряда и умеренной высоте сбрасывания. Для наиболее полного извлечения пробы при разведке россыпей, как правило, применяются поршневые желонки или специальные желонки – пробоотборники.