3.4. Технология ударно-канатного бурения
В практике ударно-канатного бурения применяют для разрушения горных пород следующие четыре типа долот: двутавровое, округляющее, крестовое и плоское. [2]
Двутавровые долота используют для бурения в вязких и средней твердости породах.
Округляющие долота применяют для бурения твердых и трещиноватых пород. Долота этой конструкции обеспечивают округление стенок скважины в процессе бурения, а боковые перья долота защищают лезвие от быстрого износа.
Крестовые долота используют при бурении трещиноватых пород и валунно-галечниковых отложений, чтобы предотвратить прихват снаряда.
Плоские долота предназначены для бурения мягких пород.
Желонки применяют для бурения в песках и для очистки ствола скважины в процессе бурения. В зависимости от назначения существуют разные типы желонок, наибольшее распространение получили одностворчатые желонки. Желонка двустворчатая предназначена в основном для удаления разбуренной породы из забоя. Желонка с полусферическим клапаном и копьем обеспечивает за счет плотного закрытия клапана сбор разжиженной массы.
Канатные замки необходимы для соединения бурового снаряда с бурильным канатом.
Раздвижные штанги служат для отрыва долота от забоя и выбивания бурового снаряда в процессе ударного бурения (особенно при проходке вязких пород).
Ударные штанги применяют для увеличения веса бурового снаряда в целях повышения эффективности разрушения породы и для предупреждения искривления скважин. Изготавливается два типа ударных штанг: гладкоствольные и с высаженными концами.
Последовательность сборки бурового снаряда для ударного инструмента и его основные параметры приведены на рисунке 27.
Рис. 27. Схема сборки бурового
снаряда для ударно - канатного бурения:
1 - долото;
2 - ударная штанга;
3 – раздвижная штанга;
4 – канатный замок
К преимуществам ударно-канатного способа бурения относится возможность вскрытия водоносного горизонта без применения глинистого раствора. Хорошие результаты получаются при вскрытии слабонапорных и безнапорных водоносных горизонтов. К недостаткам следует отнести низкие скорости бурения и большой расход обсадных труб, вследствие чего объем бурения ударно-канатным способом в сельском хозяйстве составляет не более 10%. Опыт работы показал, что наиболее рационально использовать ударно-канатное бурение для проходки скважин глубиной до 100-150 м с целью вскрытия слабонапорных водоносных горизонтов.
Режим ударно-канатного бурения определяется типом долота, числом ударов, весом и высотой подъема снаряда, величиной навески.
Массу снаряда выбирают из расчета от 25-30 кг на 1 см длины лезвия в мягких породах до 60-70 кг в крепких. Число ударов в мин меняется от 30-40 в крепких породах до 55-60 в мягких. Рекомендуемые величины можно изменять в зависимости от конкретных геолого-технических условий.
Правильно установленное соотношение числа ударов, высоты подъема снаряда и величины навески практически определяется по устойчивой работе бурового станка и вращению оттяжного ролика.
Схема работы станка для ударно-канатного бурения показана на рис. 28. При данном способе бурения породу забоя разрушают ударами бурового снаряда 1, подвешенного на канате (тросе) 3. Канат 3 перебрасывается через ролик блока 5 в вершине мачты 4, огибает оттяжной 6 и направляющий 8 ролики и наматывается на инструментальный барабан 9.
Для разрушения породы буровой снаряд многократно поднимают канатом и сбрасывают на забой. Такую работу выполняет механизм, состоящий из шестерни 12, шатуна 11 и балансирной рамы 7, на которой укреплены оттяжной ролик 6 и направляющий ролик 8. При вращении шестерни 12 шатун 11 совершая возвратно-поступательное движение, приподнимает и опускает балансирную раму 7. При опускании рамы оттяжной ролик 6 натягивает и поднимает буровой снаряд над забоем (рис. 28, а). При подъеме рамы канат опускается, снаряд падает на забой и разрушает породу (рис. 28, б). Вследствие скручивания и раскручивания упругого каната буровой снаряд после каждого удара поворачивается на некоторый угол, благодаря чему и происходит округление скважины.
По мере накопления на забое разрушенной породы (шлама) эффективность ударов долота ослабевает. Тогда выключают ударный механизм и извлекают буровой снаряд из скважины. Для удаления с забоя скважины разрушенной породы применяют специальный инструмент, называемый желонкой.
При ударном способе бурения стенки скважины крепят трубами непрерывно по мере углубления забоя. Диаметры долота и желонки меньше внутреннего диаметра обсадных труб. Поэтому колонну труб задавливают или забивают. По мере углубления обсадной колонны сопротивление пород увеличивается и на глубине 30-50 м продвижение колонны прекращается. Дальнейшее углубление скважины проводят долотом и обсадными трубами меньших диаметров. Обычно разность диаметров двух смежных колонн
обсадных труб при ударно-канатном бурении принимают около 50 мм. Новую колонну обсадных труб меньшего диаметра удается погрузить в породы (ниже башмака предыдущей колонны) также на 30-50 м. Расстояние по оси скважины между башмаками двух смежных колонн обсадных труб называется выходом. Вследствие малого выхода скважины ударного бурения приходится закреплять несколькими колоннами обсадных труб, и конструкция скважины получается телескопического вида.
Рис. 28. Схема ударно-канатного
бурения:
а - подъем снаряда над забоем;
б - удар снаряда по забою;
1 - буровой снаряд;
2 – скважина;
3 - канат;
4 - мачта;
5 – блок на вершине мачты;
6 - оттяжной ролик;
7 - балансирная рама;
8 - направляющий ролик;
9 - инструментальный барабан;
10 – шестерня главного вала;
11 – шатун;
12 - большая шестерня ударного механизма.
Технологический расчет ударно-канатного бурения выполняется следующим образом.
1. Обсадные трубы в скважину ударно-канатного бурения устанавливаются забивным способом, поэтому бурение скважины осуществляют долотами, имеющими меньший диаметр, чем диаметр обсадных труб. Типы долот для ударно-канатного бурения подбираются в зависимости от твердости пород геологического разреза скважины. Для мягких пород (пески, мергели рыхлые, растительный слой и т.д.) рекомендуется использовать плоские долота. Для пород средней твердости (глины, глины песчаные и др.) рекомендуется использовать двутавровые долота. Для твердых пород (песчаники, гравий и др.) и трещиноватых пород применяют округляющие долота.
Характеристики долот приводятся в таблице 36.
Таблица 36