книги из ГПНТБ / Ударно-канатное бурение И. П. Зорин, А. М. Стороженко. 1960- 12 Мб

ние юелось при плотности шлама 2,2 кг/л. Шлам поднимался на всю высоту бурового снаряда (7 м) и выбрасывался в виде пульсирующей струи .из отверстия, просверленного в канатном замке. Вес отдельных кусков породы, вынесенных из скважины, доходил до 4,1 г, а 'максимальный их размер —до 10—15 мм.

В процессе испытаний были обнаружены некоторые конструк­ тивные недостатки опытного бурового инструмента. Это относи-

Р'ис. 61. Номограмма для определения расхода воды на углубление сква­

q*- удельный расход воды, gM3ldM3', f— коэффициент крепости пород; тп~ объемный вес

породы, кг/дм3', гш-объемный вес шлама, кг/дм3; QB.g—расход воды при беспрерывном подливе, л/сек

лось преимущественно к деталям канатного замка, где должно быть предусмотрено устройство для выдачи шлама на поверх­ ность. Испытания показали также, что необходимо предусмот­ реть специальное закрывающееся окно на уровне гнезда клапана для чистки внутренней полости штанги, так как при перерывах в бурении на клапан осаждаются взвешенные в шламе частицы породы, которые забивают гнездо клапана и центральный канал штанги.

Для удобства определения расхода воды на углубление сква­ жины за операцию долбления (при порционном подливе) и в единицу времени (при беспрерывном подливе) нами составлена номограмма, учитывающая, что скважины бурят диаметром 200 мм в монолитных породах (рис. 61). Зная крепость пород,

определяем рациональный объемный вес шлама и углубление скважины за операцию долбления. По объемному весу шлама и объемному весу породы находим удельный расход воды, а по удельному расходу воды и углублению скважины за операцию долбления — расход воды за цикл бурения (см. стрелки на рис. 61).

По номограмме определяется расход воды при бурении моно­ литных пород. Если бурение производится в трещиноватых по­ родах, где могут происходить утечки воды, найденное значение расхода воды необходимо умножить на коэффициент утечек. Для трещиноватых 'кварцитов Бакальских рудников этот коэф­ фициент при порционном подливе воды равен 2,8. Исследова­ ниями М. К. Псарева установлено, что для условий Коунрадского рудника коэффициент утечек при порционном подливе равен 2,5, а при беспрерывном— 1,5. Для других рудников его легко установить опытным путем.

Для определения количества воды (при беспрерывном под­ ливе), подаваемого к станку, необходимо знать скорость исте­ чения воды из шланга и его диаметр. Последний устанавливают из условия наибольшего расхода воды в единицу времени. Тре­ буемый расход достигается регулированием с помощью крана или вентиля.

На установках индивидуального обслуживания положение маховика вентиля должно быть отградуировано согласно кре­ пости буримых пород.

§ 6. ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ОПЕРАЦИИ ДОЛБЛЕНИЯ

Длительность операции долбления определяется в основном крепостью и характером (вязкостью, трещиноватостью, абра­ зивностью и др.) буримых пород.

От крепости пород зависит объем скважины, выбуриваемый в единицу времени, а следовательно, и расход воды на этот объем. От расхода воды, в свою очередь, зависит высота и плотность шламового столба.

При значительной длительности операции долбления углуб­ ление скважины увеличивается, при малой длительности умень­ шается.

Существует рациональная длительность операции долбления, при которой сопротивление шламового столба является опти­ мальным, скорость бурения—наибольшей, а углубление сква­ жины — рациональным.

Опытами установлено, что наивыгоднейшее углубление сква­ жины за операцию долбления в породах различной крепости за­ висит от величины оптимального сопротивления шламового стол­ ба во время долбления, рационального расхода времени на опе­ рацию чистки скважины и наибольшей скорости бурения.

При бурении высюкоабразивных пород длительность опера­ ции долбления уменьшается из-за преждевременного износа бу-

130

рового инструмента по диаметру. Так, при бурении трещино­ ватых кварцитов на руднике им. ОГПУ Бакальского рудоуп­ равления износ долота наступал раньше, чем достигалась ра­ циональная длительность операции долбления.

Установлено, также, что с увеличением крепости пород ра­ циональная длительность операции долбления увеличивается от

Исходя из оптимального сопротивления шламового столба, рациональная длительность операции долбления может быть оп­ ределена по следующей формуле:

Объем породы, выбуриваемый за 1 сек., можно определить из

где п! — число ударов бурового снаряда в секунду; D — диаметр скважины, дм;

А^-глубина внедрения долота за один удар, дм;

а—угол приострения лезвия долота, град.

Расчеты, .произведенные по формуле (84), представлены в табл. 27.

Подставляя значения составляющих в формулу (83), получим изменение длительности операции долбления в зависимости от крепости пород (см. рис. 62). Таким образом, расчетные значе­ ния длительности операции долбления достаточно хорошо согла­ суются с опытными данными, что позволяет рекомендовать формулу (83) для определения рациональных значений рассмат­ риваемого параметра режима работы ударно-канатных станков.

Для ориентировочного и быстрого определения длительности операции долбления можно пользоваться эмпирической форму­ лой

Tn = 2f, мин.,

где/—коэффициент крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова.

§ 7. ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ОПЕРАЦИИ ЧИСТКИ

По вопросу о чистке скважин существует два разных мне­

Предложение К. И. Иванова основано па том, что имеющийся в скважине шлам с объемным весом больше единицы быстро переводит во взвешенное состояние отбитые частицы породы или руды. Это несомненно правильно. Однако рекомендация К. И. Иванова вычерпывать только половину шламового столба, а вторую — оставлять, чтобы иметь начальную плотность шлама больше единицы, вызывает сомнение. Оставшаяся половина сра­ зу же окажет сопротивление падающему буровому снаряду, что приведет к снижению скорости бурения в начале операции долбления. Опытами установлено, Что скорость бурения, наи­ большая в начале операции долбления, с увеличением высоты и плотности шламового столба уменьшается.

Из анализа зависимости увеличения плотности шлама от времени операции долбления (см. рис. 57) видно, что увеличение

132

это в начале операции происходит очень быстро. Поэтому нет необходимости при бурении монолитных пород оставлять в сква­ жине половину шламового столба. Наоборот, тщательная очист­ ка скважины позволяет получить наибольшую скорость бурения уже в начале операции долбления. Это подтверждается практи­ кой бурения.

Надо, однако, оговориться, что имеются здесь и исключения. Так, при бурении трещиноватых пород после очистки скважины от шлама и подлива в нее воды начинается интенсив­ ный размыв стенок сква­ жины.

Время операции чистки должно быть наименьшим, а скорость бурения — опти­ мальной. Опытным путем

в несколько раз больше, чем на крепких (рис. 63, кривая /). Это объясняется тем, что во втором случае из-за большой плот­ ности шлама значительно уменьшается скорость чистки (рис. 63, кривая 2).

Время, затрачиваемое на выполнение одной операции чистки, может быть определено по следующей формуле:

—объем шлама, подлежащий удалению, дм3;

—объем шлама, удаляемый за одно черпание, дм3.

П. П. Назаров пришел к выводу, что наибольшая производи­ тельность достигается в том случае, если на каждую операцию чистки приходится три-четыре черпания. При большем числе черпаний желонка каждый раз выдает настолько незначитель­ ное количество шлама, что затраты времени оказываются не­ оправданными.

При бурении пород различной крепости из скважины реко­ мендуется удалять не более 4—5 желонок, после чего на забое скважины остается приблизительно 0,25—0,3 м шлама1.

1 Приведенные рекомендации относятся к желонкам, длина которых больше высоты шламового столба.

133

§ 8. НАИВЫГОДНЕЙШАЯ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЦИКЛА БУРЕНИЯ

Длительность цикла бурения — это время, затрачиваемое на выполнение операций долбления и чистки.

Для пород различной крепости характерна определенная дли­ тельность цикла бурения, которая соответствует наибольшей скорости бурения.

Минимальные затраты 'времени на чистку определяются ко­ личеством операций желонирования, приходящихся на один метр пробуренной скважины. Эта величина названа частотой желонирования; ее можно вычислить по формуле

'■*Д

где — углубление скважины за операцию долбления, м.

Зная частоту желонирования пород различной крепости, можно определить наивыгоднейшее сочетание операций долбле­ ния и чистки (рис. 64). Последнее, в свою очередь, обусловливает наивыгоднейшую длительность цикла бурения. Опытным путем установлено, что с повышением крепости буримых пород она увеличивается от 6—8 мин. на мягких породах до 40 мин. на очень крепких (рис. 65).'

Опыт новаторов производства показывает, что в ряде случаев с большим успехом могут применяться так называемые специаль­ ные методы бурения, при которых в скважине не образуется шлама и поэтому отсутствует операция желонирования .*

1 В отличие от специального метода при обычном шлам в скважине образуется обязательно и его удаляют желонкой.

134

Специальные методы в настоящее время применяются ,при бурении: мягких вязких. .пород—метод «налипания»; рыхлых и насыпных пород (разрушенные и полностью выветрелые породы и отвалы) — метод «трамбования»; трещиноватых пород.

В зависимости от степени трещиноватости пород режимы бурения имеют свои особенности.

§ 9. БУРЕНИЕ СИЛЬНОТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД

Наличие в сильнотрещиноватых породах многочисленных трещин, идущих в разных направлениях, вызывает выпадение отдельных кусочков и даже участков породы при обнажении их стенками скважин. Количество породы, подвергающейся при этом вторичному дроблению на забое скважины, значительно увеличивается, а производительность станка пропорционально уменьшается.

Наибольшему разрушению в уступе подвергается его верх­ няя часть, раздробленная в перебурах скважин зарядами, взор­ ванными при отработке вышележащего горизонта. Поэтому за­ буривание сильнотрещиноватых пород нужно вести с обяза­ тельным применением забурной трубы (длиной до 2 м) и при наименьшем расходе воды (чтобы предупредить обрушение сте­ нок скважины ниже этой трубы).

Глубина забуривания в сильнотрещиноватых породах обычно составляет 2—2,5 м. На эту глубину следует расходовать не более 20—30 л воды.

Падение бурового снаряда при забуривании должно быть строго вертикальным, чтобы предупредить его раскачивание, следствием которого обычно является искривление скважины. Для обеспечения вертикального падения бурового снаряда необ­ ходимо уменьшить число ударов до 40—45 в минуту. На прак­ тике это достигается за счет пробуксовывания фрикционных муфт. Лучшим же решением этого вопроса является снабжение станков двигателями, обеспечивающими регулирование числа оборотов.

После того как верхний разрушенный слой пройден, а забурная труба погружена на всю длину, стенки скважины по-преж­ нему подвержены обрушению. В этот момент начинается интен­ сивный размыв трещиноватых пород за нижней кромкой трубы. Процесс размыва представлен на рис. 66. При ударах бурового снаряда о забой скважины шлам устремляется в кольцевой за­ зор и начинает воздействовать на частицы породы, расположен­ ные ниже трубы (рис. 66, а). Под действием этих сил вначале выпадают менее устойчивые частицы породы небольшого раз­ мера, которые незначительно увеличивают объем работы по их дроблению и почти не снижают скорости бурения. Момент вы­ падение мелких частиц очень трудно уловить без глубиномера,

135

и в скважине часто незаметно образуются расширения, разду­ тия и т. д. (рис. 66,6 и в), обусловленные дальнейшим интенсив­ ным размывом стенок скважины. Процесс размыва сильно про­ грессирует в случае совпадения направления движения потока шлама с направлением трещин.

Рис. 66. Результаты бурения сильно трещиноватых пород без

При интенсивном обрушении стенок скважин углубление прекращается, или уменьшается глубина скважины. Если машинист станка не обратит внимания на эти признаки, то обрушение стенок может привести к завалу скважины (рис. 66, г).

Предупредить обрушение в сильнотрещиноватых породах можно только с помощью обсадных труб длиной 3—4 м. Другие способы (цементация, глинизация и пр.) не дали должного эф­ фекта.

Для меньшего сотрясения трещиноватых пород следует уменьшать высоту падения бурового снаряда и увеличивать чи­ сло ударов.

Расход воды можно изменять в очень широких пределах, что обусловлено утечками ее из скважины. При отсутствии утеч­ ки за операцию долбления расходуется 30—40 л воды. При пор­ ционном подливе воду подают малыми количествами —по 0,5— 1 л через каждые 1—2 мин. Высота шламового столба при этом

мени на чистку и вспомогательные операции (установку и обсад­ ку труб, частую смену долот, исправление искривленной части скважины и др).

136'

При бурении сильнотрещиноватых крепких и абразивных по­ род (типа бакальских кварцитов) длительность операции дол­ жна определяться стойкостью долот. В этом случае также увеличивается время, задалживаемое на вспомогательные опе­ рации, но выигрыш в скорости бурения позволяет повысить смен­ ную производительность ударно-канатных станков.

Для бакальских кварцитов рациональное время операции долбления, определяемое стойкостью долот, составило 18— 20 мин.; скважина за это время углублялась на 0,4 м, а скорость бурения оказалась на 25% больше, чем при рациональной длительности операции долбления, определяемой крепостью пород.

§ 10. БУРЕНИЕ ТРЕЩИНОВАТЫХ И МАЛОТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД

Забуривание скважин в трещиноватых породах производится способом, аналогичным описанному выше, с той лишь разницей, что в данном случае легче подобрать способ поддержания сте­ нок скважин от обрушения. Углубление скважины за нижней

•плотный шлам проникает в трещины, предупреждая породу от обрушения. Воду подливают малыми порциями—по 0,5 л за прием. Длительность операции долбления должна быть мини­ мальной, а высота навески долота — несколько увеличенной с тем, чтобы уменьшить время пребывания его на забое скважины. Необходимо очень внимательно следить за процессом углубле­ ния скважины, который является основным показателем степе­ ни обрушения стенок.

После того, как скважина пройдена на 1 —1,5 м ниже забурной трубы без явных признаков обрушения породы, дальнейшее бурение ведется с большим расходом воды—до 30 л за опера­ цию долбления. Время операции увеличивается до 18—25 мин., а высота навески долота несколько уменьшается. В тех слу­ чаях, когда при бурении трещиноватых пород происходит обру­ шение стенок скважины, следует применять глинизацию и там­ понирование. Эти способы опробованы на Магнитогорском руд­ нике и оказались эффективными.

При глинизации работу производят в’ следующей последова­ тельности: забуривают скважину на глубину, равную длине забурной трубы, а затем тщательно очищают ее от шлама. За­ сыпают в скважину 1,5—2 ведра жирной глины и в течение 2—3 мин. ведут бурение без подлива воды, благодаря чему глина в районе забоя скважины вдавливается в трещины. Последую­ щее бурение ведут с подливом 2—3 л воды через каждые 5— 6 мин. Перед чисткой в скважину доливают 10—15 л воды и производят тщательное желонирование.

137

Предотвратив обрушение, можно бурить скважину дальше, добавляя в нее в течение каждого цикла ведро глины.

В случае чрезмерного расширения скважины на глубине 8— 10 м производят тампонирование. Для этого увлажняют жир­

Рис. 67. Тампонирование скважины:

вновь проходят по глине (без подлива воды) способом трамбо­ вания. Глина образует при этом плотную рубашку и забивает все трещины. Последующая проходка производится способом глинизации при густом шламе.

При бурении трещиноватых пород .без глинизации углубление за операцию долбления не превышает 0,1—0,2 м, что резко сни­ жает производительность ударно-канатного станка.

Затрата времени на засыпку глины и более длительную очистку скважины окупается за счет большей скорости чистого бурения. Применение глинизации увеличивает скорость бурения и уменьшает расход дорогостоящих обсадных труб.

При бурении малотрещиноватых пород 'эффективным спо­ собом поддержания стенок скважин от обрушения является ма­ лый расход воды, или поддержание шлама большой плотности. Шлам большой (Плотности менее подвижен в скважине, благо­ даря чему уменьшаются его размывающие способности. Полу­ чение плотного шлама достигается небольшим удельным расхо­ дом воды при малых порциях подлива. При желонировании ре­ комендуется удалять только половину шлама, чтобы сохранить его несущую способность. Сокращение времени на желонирова­ ние в этом случае окупается большим объемом выбуриваемой скважины, а это позволяет увеличить скорость бурения.

Остальные параметры режима бурения почти таки? же, что и при бурении монолитных пород такой же крепости.

138