7.6. Бурение скважин пневмоударными машинами

7.6.1. Геологоразведочные пневмоударники и инструмент к ним

Область применения пневмоударников. Пневмоударное бурение относится к ударно-вращательному способу, характерной особенностью которого является использование меньшей сопротивляемости твердых и весьма твердых абразивных пород воздействию динамических нагрузок. В результате энергоемкость разрушения пород при этом способе бурения значительно меньше, чем при других известных способах.

Возможная глубина пневмоударного бурения зависит от параметров компрессора и величины водопритока в скважину. При использовании передвижных компрессоров с давлением 0,8 МПа и расходе 10 м³/мин обеспечивается проходка скважин на глубину 100-300 м, при давлении 2,5 МПа – до 500-600 м.

Применение сжатого воздуха вместо промывочной жидкости позволяет более эффективно проходить скважины в районах распрространения многолетней мерзлоты, в сильнотрещиноватых породах с поглощениями жидкости, при наличии больших каверн и пустот, а также в случаях пересечения скважиной горных выработок. В ряде случаев пневмоударное бурение может быть примерно в комбинации с алмазным бурением при проходке верхних разрушенных горизонтов и валунно-галечных отложений. При бурении гидрогеологических скважин имеется возможность избежать кольматацию скважин и оперативно выполнить опробование водоносных горизонтов. Эффективно применение пневмоударников при разведке россыпных месторождений в районах распространения многолетней мерзлоты.

Пневмоударники для разведочного бурения с отбором керна должны удовлетворять по сравнению с пневмоударниками, применяемыми в горном деле, рядом специфических требований. Должны быть обеспечены: герметичность конструкции от жидкого шлама; высокая удельная энергия удара на один см длины резца коронки (1,5-2,2 даНм); соизмеримость масс поршня-ударника и колонковой трубы; соответствие диаметрам геологоразведочных скважин.

Перечисленным требованиям отвечают пневмоударники типа ПН-76, ПН-93, ПН-112, ПН-132 (табл. ), разработанные специально для геологоразведочного бурения^. Комплексом ПН обеспечивается бурение с одинарной колонковой трубой – ТП, с двойной колонковой трубой – ТДП и долотами ДП для сплошного забоя (рис. ).

Устройство пневмоударника показано на рис. . Предусмотрена комбинированная схема воздухораспределения клапаном и ударником с центральным выхлопом в колонковую трубу.

В комплекс пневмоударника входят одинарные и двойные колонковые трубы с коронками, шламовые трубы, долота, ключи, аварийный инструмент. Размеры инструмента приведены в табл. . На скважине необходимо иметь одновременно не менее двух пневмоударников одного размера, а при бурении в породах IX категории и выше – еще комплект пневмоударников меньшего размера на случай значительной потери диаметра скважины.

Коронки КП и КДП представляют собой ребристые корпуса, армированные по торцу сферическими вставками твердого сплава диаметром 6,2 мм и высотой 8 мм.

Для удержания керна коронки снабжены гибкими кернорвателями (рис. ), которые легко заменяются непосредственно на буровой.

Коронки КДП имеют со стороны резьбы внутреннюю кольцевую проточку, на уступ которой опирается через кернодержатель внутренняя керноприемная труба двойной колонковой трубы. Коронки соединяются с колонковыми трубами специальной конической резьбой (угол наклона 3⁰, шаг 4,23 мм).

Двойная колонковая труба ТДП применяется при бурении по полезному ископаемому и во всех случаях, когда урение с одинарными трубами не обеспечивает необходимого выхода керна. Сжатый воздух поступает на забой без контакта с керном – через боковой канал в коронке. Учитывая ударный характер нагрузок, керноприемная труба имеет верхнюю подвеску на резиновом амортизаторе (рис. ).

Для бурения скважин без отбора керна применяются долота ДП, армированные сферическими вставками твердого сплава диаметром 9-12 мм, высотой 13 мм.

Комплекс КПР (ТулНИГП) предназначен для пневмоударного бурения колонковых разведочных скважин на россыпных месторождениях в районах распространения многолетней мерзлоты. Комплекс включает три колонковых набора КПР-161, КПР-184 и КПР-216, соответственно, для бурения скважин диаметром 161, 184 и 216 мм с отбором керна на глубину 250 м. Требуется расход воздуха не менее 10 м³/мин и давление не менее 0,7 МПа. Техническая характеристика комплексов КПР приведена в разделе 7.11.

Кольцевые пневмоударники ПКР   (рис. , табл. ) СКБ «Геотехника» и ИГД СО РАН применяются в сочетании с двойной бурильной клонной при проходке скважин с пневмотранспортом выбуренной породы по центральному каналу пневмоударника и бурильных труб. Применение кольцевых пневмоударников позволяет эффективно проходить геологоразведочные скважины этим способом в следующих условиях:

• в твердых и перемежающихся по твердости породах с продувкой воздухом при наличии водопроявлений;

• при значительных поглощениях в зонах карстовых пустот и при пересечении горных выработок;

• при разведке россыпных месторождений и гидрогеологическом бурении.

Наземное обустройство скважины. Для бурения скважин пневмоударниками можно использовать буровые станки, имеющие низкие частоты вращения шпинделя. Понижение частоты вращения до необходимых значений можно выполнить применением для привода станка электродвигателя с пониженным числом оборотов.

При бурении пневмоударниками применяются бурильные трубы муфтово-замкового соединения диаметром 50 мм. С целью улучшения очистки скважин от шлама, особенно в слабообводненных породах, желательно иметь бурильные трубы диаметром 63,5-73 мм.

Схема расположения оборудования при пневмоударном бурении показана на рис. .

Для выработки сжатого воздуха может быть применен компрессор, обеспечивающий давление воздуха не менее 0,7 МПа и производительность не менее 9 м³/мин.

Трубопровод от компрессора до устья скважины должен обеспечивать минимальные потери давления воздуха, для чего проходные сечения всех узлов линии должны быть не менее 8-10 см².

Воздухораспределительная коробка должна иметь кран, позволяющий при необходимости быстро перекрывать (открывать) подачу воздуха в скважину и манометр. Устье скважины оборудуется герметизатором, шламоотводящей трубой и вентилятором для отсоса пыли, выходящей из скважины. Кроме того, с целью соблюдения чистоты воздуха вокруг бурового здания, предусмотрен циклон со шламосборником. Использование шлама из циклона, шламовой трубы и керна позволяют собрать до 90 % выбуренной породы. При бурении в многолетнемерзлых породах значение имеют уровни влажности и температуры поступающего в скважину сжатого воздуха. В обвязку включается радиаторный холодильник, представляющий трубчатый радиатор, обдуваемый вентилятором. В качестве радиатора может применяться теплообменник 1-ой ступени охлаждения компрессора или радиатор с поверхностью теплообмена 15-20 м² и с проходными сечениями не менее 8-10 см², рассчитанный на давление не менее 1,0 МПа. Для улавливания выделяющейся из воздуха влаги после холодильника устанавливается поверхностный влагоотделитель, а в состав снаряда включается погружной влагоотделитель.

Во избежание осложнений в связи с образованием сальников при малых водопритоках в скважину переходят на бурение газожидкостной смесью, что исключает слипаемость частиц шлама и улучшает их вынос за счет образования пены.

Раствор смеси может подаваться от насоса НБ-1-16/25 через вентиль. Для приготовления раствора на буровой устанавливается емкость. При использовании газожидкостной смеси герметизатор устья скважины должен предотвращать выброс смеси в здание буровой. При этом из схемы исключается циклон и вентилятор.