книги из ГПНТБ / Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник

Г Л А В А XI

УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ

Введение

Эффективность и область применения твердосплавного бурения может быть значительно повышены путем перехода с вращательного бурения на ударно-вращательное.

При ударно-вращательном бурении между низом колонны буриль­ ных труб и колонковым снарядом (или долотом) включают ударный механизм.

Одновременное воздействие на породоразрушающий инструмент силовых ударных импульсов, осевого усилия подачи и крутящего момента обеспечивает более высокую механическую скорость буре­ ния скважин в средних и твердых породах.

Ударные механизмы бывают:

а) гидравлические — гидроударники; б) пневматические — пневмоударники.

Кроме того, ВИТРом разработан и осваивается скважинный ударный высокочастотный механизм, работающий с помощью магнитострикционного устройства. Наибольшее применение в разведоч­ ном бурении получили гидравлические ударные забойные машины — гидроударники.

§ 1. ГИ Д РО У Д А РН И КИ

Внедрение гидроударного бурения (наряду с алмазным) имеет целью замену малопроизводительного дробового бурения при про­ ходке разведочных скважин в твердых породах и повышение эффек­ тивности твердосплавного бурения в породах средней крепости (VI—VIII категорий буримости).

Для привода гидроударника используется энергия потока про­ мывочной жидкости, подаваемой к породоразрушающему инстру­ менту. При этом кинетическая энергия жидкости преобразуется забойной машиной в возвратно-поступательное движение поршнябойка, который наносит удары по наковальне породоразрушающего инструмента.

Гидроударники по принципу действия могут быть разделены на следующие три группы:

1)машины прямого действия с возвратными пружинами;

2)машины двойного действия;

3)машины обратного действия.

Наибольшее применение получили гидроударные машины пря­ мого действия.

В качестве породоразрушающего инструмента при гидроударном бурении применяются специальные коронки и долота, армированные пластинками твердого сплава марки ВК-15.

Во время спуска и подъема гидроударник находится в подвешен­ ном состоянии и нижняя его часть в местах шлицевых разъемов опускается (см. рис. 94, I). В таком положении промывочная жид­ кость, нагнетаемая насосом, свободно проходит через машину и ко­ лонковую трубу, что необходимо при вымывании с забоя шлама, за­ сыпки заклиночного материала перед подъемом инструмента и слива промывочной жидкости из бурильных труб 1 при подъеме инстру­ мента.

Пуск гидроударника осуществляется постановкой его на забой скважины. При этом шлицевые разъемы смыкаются, клапан 3 пере­ крывает отверстие в поршне 4, и проход жидкости мгновенно пре­ кращается (рис. 94, II). Под действием резко повысившегося давления клапан совместно с поршпем-ударником 6 с нарастающей скоростью движутся вниз, сжимая возвратные пружины 2 и 5. В определенном положении, когда упорная втулка клапана дойдет до ограничителя За (см. рис. 94, III), клапан останавливается и открывается.

Поршень-ударник 6 под действием приобретенной кинетической энергии движется вниз и в конце хода наносит удар по наковальне 7; под действием удара породоразрушающий инструмент 10 осу­ ществляет разрушение породы забоя (рис. 94, IV). При этом жид­ кость свободно проходит через машину к забою.

Вцелях улучшения условий передачи удара шлицевой шток 9 наковальни 7 имеет возможность в некоторых пределах перемещаться

встакане 8, что ограничивает распространение ударного импульса на корпус гидроударника и бурильную колонну.

После нанесения удара, под действием сжатых пружин и отскока, клапан 3 и ударник 6 со штоком-поршнем 4 возвращаются в исходное положение, причем клапан движется с некоторым опережением. При их встрече поток промывочной жидкости перекрывается, воз­ буждается гидравлический удар, и цикл повторяется в той же после­ довательности.

Вгидроударниках прямого действия значительная доля энергии затрачивается на сжатие возвратных пружин. Поэтому к. п. д. этих гидроударников относительно низок.

Вгидроударных машинах двойного действия полный цикл работы поршня ударника осуществляется только под действием энергии

потока промывочной жидкости, при отсутствии силовых пружин и потерь энергии на их деформацию.

На рис. 95 показано положение основных элементов гидро­ ударной машины двойного действия (типа ГМД-2) на различных стадиях рабочего цикла:

а) на рис. 95, а гидроударник показан приподнятым над забоем.

В этом случае корпус нижнего клапана опирается на ограничитель 4

ипромывка свободно проходит через гидроударник и колонковый снаряд к забою;

б) на рис. 95, б гидроударник с колонковым снарядом опираются на забой. Корпус 6 нижнего клапана перекрывает проход жидкости к забою, и начинается ход поршня-бойка вверх;

в) на рис. 95, в показано положение, при котором под давлением жидкости цроисходит ход поршня-бойка вверх. В конце этого хода нижний клапан под действием пружины отрывается от наковальни 3, после чего еще продолжается свободный ход вверх поршня-бойка; г) на рис. 95, г показано начало рабочего хода вниз. Верхний клапан перекрыл отверстие в поршне-бойке и движется вниз вместе с поршнем, а нижний клапан под воздействием пружины вернулся

Рнс. 95. Положения элементов гидроударника двойного действия на различных стадиях рабочего цикла:

а — спуск в скважину; б — постановка на забой; в — подъем поршня-ударника; г — пере­ крытие отверстия поршня верхним клапаном; д — рабочий ход поршня-ударника; е — удар

д) на рис. 95, д показан конец рабочего хода и начало свободного

а верхний клапан под воздействием пружины вернулся в перво­ начальное положение, и рабочий цикл повторяется.

Гидроударники двойного действия имеют относительно малые габаритные размеры и вес и обеспечивают более высокий к. п. д. по сравнению с машинами прямого действия, но они более сложны.

В гидроударных машинах обратного действия клапанная си­ стема распределения обеспечивает периодический взвод ударных

пружин, энергия которых преобразуется затем в кинетическую энергию ударника.

Характеристика гидроударных машин различных типов при­

ведена в табл. 29.

Гидроударники Г-7, Г-8, Г-9 выпускаются в виде комплекса, включающего гидроударную машину, коронки типа ГПИ, кернорватели, ловушку шнековую и эжекторное устройство.

Колонковый снаряд с кернорвателем для гидроударного бурения показан на рис. 96.

! Z J 5 Ч

Рис. 96. Колонковый снаряд для гпдроударного бурения.

Рис. 97. Ловушка кусков твердого сплава.

Ловушка шнекового типа предназначена для извлечения кусоч­ ков твердого сплава из скважины при гидроударном бурении, при котором иногда наблюдается выкрашивание пластин твердого сплава.

Ловушка (рис. 97) представляет собой полый цилиндр 1 с че­ тырьмя винтовыми пазами на наружной поверхности и четырьмя отверстиями. Два паза закрыты стальной полосой 3, внутри цилиндра заварена пробка 2. Прокладки 4 обеспечивают совпадение пазов ловушки и долота 5.

В результате. вращения снаряда и воздействия восходящего потока промывочной жидкости осколки твердого сплава поднимаются по открытым пазам ловушки и падают во внутреннюю полость. Промывочная жидкость поступает на забой по закрытым винтовым пазам ловушки.

Применение ловушек шнекового типа повышает степень очистки забоя скважины от твердого сплава по сравнению с ловушками прямого и обратного типов. Особенно эффектно применение ловушек при чередовании гидроударного и алмазного бурения.

Из приведенных в табл. 29 гидроударников наиболее хорошо зарекомендовал себя гидроударник Г-7, изображенный в сборе с колон­

§2. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОУДАРНОГО БУРЕНИЯ

Буровой копер должен быть рассчитан на подъем све­ чей длиной не менее 15—18 м, собранных из бурильных труб диаметром 63,5 мм.

Буровой станок необходимо монтировать на бетонном фундаменте и деревянных ряжах для гашения повышен­ ных вибраций, возникающих при небольших глубинах скважин. Желательно станок дооборудовать редуктором для снижения скорости вращения шпинделя до 20—30 об/мин.1*

Рис. 98. Гидроударник Г-7.

1 — коронка ГПИ-74МВ; 2 — кернорватель КЦ76МВ; 3 — колонковая тру­ ба; 4 — шлицевый разъем; 5 — наковальня; в — поршень-боек; 7 — ци ­ линдр; 8 — клапан; 9 — понизитель расхода.

Буровые насосы должны быть обеспечены необходимым количе­ ством запасных деталей, так как насосы при гидроударном бурении работают при максимальном давлении и расходе.

Буровую установку надо оснащать двумя насосами.

На буровой вышке должны быть специальные козлы высотой 0,8 м, удобные для сборки и разборки гидроударников, станок для

заточки буровых коронок и тележка для перемещения тяжелого бурового снаряда к устью скважины.

Производительность насоса должна проверяться под давлением ежесменно. Осмотр и регулировку гидроударников следует про­ изводить через три—четыре смены.

В целях предохранения поломок резцов под действием радиаль­ ных сил диаметр вновь опускаемой в скважину коронки не должен

крепким хрупким породам требуется более высокая энергия еди­ ничного удара. Экспериментальные исследования показали, что увеличение энергии удара от 7,5 до 20 кгс-м при бурении по гра­ ниту IX категории позволяет увеличить механическую скорость и проходку за рейс. Однако существующие коронки могут обеспе­ чивать эффективное бурение гидроударниками с энергией удара до 15 кгс • м.

Таким образом, при бурении крепких хрупких пород увеличение энергии удара приводит к значительному росту механической ско­ рости; при бурении пород средней твердости энергия удара суще­ ствующих машин является достаточной; при бурении пластичных пород средней и ниже средней твердости целесообразно уменьшать энергию и увеличивать частоту ударов.

Частота ударов. Правильное соотношение частоты ударов и скорости вращения бурового снаряда обеспечивает оптимальное расстояние между ударами, которое в значительной степени опре­ деляет более высокие показатели ударно-вращательного бурения.

Число ударов на 1 оборот коронки должно быть

где Dcр = -н D- — средний диаметр коронки, мм; ô— оптимальное

расстояние пробега коронки между ударами.

Для крепких пород IX —XI категории буримости 6 = 5 -г 2 мм (в зависимости от энергии удара). Для пород средней крепости

где туд — число ударов в 1 мин, развиваемое гидроударником.

При бурении в крепких абразивных породах коронками диа­ метром 93 мм число оборотов снижают до 20—30 в 1 мин.

Расход промывочной жидкости. Расход промывочной жидкости определяет механическую характеристику гидроударной машины

(энергию и частоту ударов). Выбирать его необходимо с учетом вли яния этих параметров на показатели бурения. Особое внимание на расход промывочной жидкости необходимо обращать при бурении крепких пород. При этом должны учитываться возможные потери жидкости в бурильной колонне.

Осевое усилие. Осевое усилие обеспечивает плотность контакта резцов коронки с породой. Кроме того, при бурении пластичных пород средней твердости осевое усилие способствует внедрению резцов в породу. Поэтому увеличение осевого усилия при проходке всех типов горных пород приводит к возрастанию начальной ско­

рости бурения. Но увеличение осевого усилия приводит к более быстрому износу твердосплав­ ных резцов, особенно при про­ ходке абразивных пород.

При бурении в крепких, абразивных породах надо сни­ жать осевое усилие подачи до 300—400 кгс и скорость враще­ ния до 20—30 об/мин.

§ 3. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ГИДРОУДАРНОГО БУРЕНИЯ

Породоразрушающий ин­ струмент для ударно-враща­ тельного бурения кольцевым

забоем представлен в основном резцовыми коронками. Серийно выпускается несколько типов коронок, предназначенных для раз­ личных геологических условий (рис. 99, а) и отличающихся:

1)числом пластин твердого сплава;

2)формой пластин твердого сплава (прямоугольная, цилиндри­ ческая);

3)выходом резцов над торцом коронки.

Лучшие результаты дали коронки, армированные твердыми сплавами, — ВК-15, ВК-6В и ВК-8В. Пластины твердого сплава имеют симметричную и ассиметричную заточку.

Для бурения сплошным забоем и проработки ствола скважины применяются трехперые долота с опережающим центральным лез­ вием (рис. 99, б).

СКВ МГ СССР разработаны и сданы в серийное производство несколько типов коронок для гидроударного бурения типа ГПИ. Они предназначены для бурения однородных и переслаивающихся пород различной твердости от VI до X категории включительно.

пипеда с цилиндрическим основанием, которое обеспечивает лучшие