28 Задание

№1) Области применения и особенности ударно-вращательного гидроударного бурения.

Две основные особенности, определяющие и две основные области применения – это использование твердосплавных резцов для бурения в самых твердых породах до Х – Х11 категорий по буримости и практическое отсутствие осевой нагрузки на коронку при бурении в твердых породах.

1. Первоначальная разработка и внедрение ударно-вращатедьного гидроударного бурения проводились именно с целью замены дробового и только зарождающегося алмазного бурения в породах IХ – ХI категорий, где вращательное твердосплавное бурение невозможно. В настоящее время ударно-вращательное гидроударное бурение с твердосплавными коронками рационально применять для бурения прослоек пород IХ – ХI категорий при большом диаметре скважин (151 мм.), поскольку алмазных коронок такого диаметра нет.

2. Отсутствие осевой нагрузки, второе достоинство ударно-вращательного бурения, позволяет бурить вертикальные прямолинейные скважины, поскольку буровой снаряд «весит» в скважине как отвес. При вращательном бурении с осевой нагрузкой скважины обязательно искривляются и откланяются.

3. При бурении в скальных породах средней крепости ударно-вращательное бурение может несколько повысить скорость бурения, но это как правило не окупает дополнительных затрат и трудностей связанных с применением гидроударников и поэтому применяется крайне редко.

4. Недостатками применения ударно-вращательного бурения, кроме необходимости повышенного расхода промывочной жидкости, повышенный износ твердосплавных коронок по наружному диаметру при бурении в твердых породах и возможность конушения скважины.

5. К недостаткам можно отнести необходимость специальных твердосплавных коронок.

Вращательно-ударный вариант гидроударного бурения.

Одно из достоинств ударно-вращательного бурения использование коронок с твердосплавными резцами для бурения пород IХ – ХI категорий является и его серьезным недостатком, поскольку необходимо иметь специальные, более дорогие, чем обычные, твердосплавные коронки. Обычные твердосплавные коронки не выдерживали мощные удары среднечастотных гидроударников.

Для расширения области применения гидроударного бурения были разработаны высокочастотные гидроударники с уменьшенной энергией удара (до 10 – 15 Дж вместо 50 – 70 Дж и среднечастотных), Рассчитывали, что такими гидроударниками можно будет бурить твердые породы с обычными твердосплавными коронками. Производственные испытания вращательно-ударного бурения с обычными твердосплавными коронками, хотя и показали некоторое увеличение скорости бурения и расширение области применения твердосплавных коронок в твердых породах, однако этого оказалось недостаточно для компенсации дополнительных затрат и технологических сложностей связанных с применением гидроударных машин.

Существует легенда о том, что при проведении на полигоне СКБ «Геотехника» сравнения вращательно-ударного бурения твердосплавными коронками с обычным вращательным бурением алмазными коронками произошел такой казус. Инженер-испытатель, проводивший экперимент, отлучился и, в его отсутствии, бурильщик по недосмотру спустил в скважину снаряд с гидроударником и с алмазной коронкой вместо твердосплавной и начал бурение. Когда возвратившийся инженер-испытатель обнаружил, что в скважине алмазная коронка с гидроударником, он естественно испугался, что алмазная коронка будет разрушена ударными импульсами. Существовало мнение, что алмазы очень боятся ударных нагрузок и алмазные резцы разрушаются при бурении с вибрацией снаряда. Однако в данном случае бурение успешно продолжалось, и когда алмазная коронка была поднята на поверхность, оказалось, что алмазные резцы совсем не пострадали и даже выглядели лучше, чем после обычного вращательного бурения. Проведенные в дальнейшем теоретические и экспериментальные исследования

показали, что в отличие от беспорядочных ударов при вибрации, упорядоченные направленные вдоль оси ударные импульсы практически безопасны для алмазных резцов и, напротив, значительно снижая трене алмаза о породу, облегчают внедрение резцов в породу забоя и, главное, уменьшают истирание режущей кромки резца. При бурении в просто твердых породах наложение высокочастотных ударных импульсов на алмазную коронку позволяет увеличить скорость бурения на 10 – 15%.

Обычно такой прирост скорости бурения не компенсирует дополнительных затрат, связанных с применением гидроударника. Но есть условия, когда применение вращательно-ударного бурения с алмазными коронками весьма эффективно. Это случаи бурения в очень твердых, но малоабразивных породах. В таких породах при очень маленьком внедрении алмаза в породу основная энергия тратится на трение режущей кромки алмаза о породу на торце резца, что приводит к быстрому истиранию режущей кромки и заполированию алмазов. Не будучи полностью изношены, алмазы перестают внедряться в породу и бурение прекращается. Проходка за рейс в таких условиях может составлять всего 0,5 – 1,0 метр. Применение высокочастотного гидроударника, т.е. вращательно ударного бурения за счет снижения трения позволяет в несколько раз повысить углубку за рейс и, соответственно, производительность бурения.

№2)

№3) Ударно-вращательнный вариант гидроударного бурения.

При этой разновидности бурения основное разрушение породы на забое происходит за счет воздействия ударного импульса. В наиболее твердых и хрупких породах разрушение породы на забое происходит практически только за счет удара, - осевая нагрузка на коронку в этом случае только обеспечивает контакт резцов с поверхностью забоя и в разрушении породы не участвует. Для выполнения этой задачи достаточно поддерживать величину Сос = 3 – 5 кН.

Не участвует напрямую в разрушении породы и вращение коронки. Вращение, как и осевая нагрузка, играет вторичную роль, обеспечивая перемещение резцов вдоль забоя после каждого удара. Для таких пород специальные коронки гидроударного бурения имеют крупные твердосплавные резцы пикообразной формы. После передачи удара таким резцом под ним образуется «лунка выкола», размеры которой по глубине и ширине зависят от твердости породы и энергии удара. Чтобы разрушение породы на поверхности забоя проходило равномерно, вращательное перемещение резца должно обеспечивать смещение резца по ходу вращения на величины ширины лунки выкола за время между очередными ударами (рис. 44а). Если известна ширина лунки выкола и частота ударов гидроударника, то рациональную частоту вращения, обеспечивающую равномерное разрушение породы, можно определить по выражению:

nрац = об/мин

где: i –частота ударов гидроударника, мин^-1, δ – ширина лунки выкола, мм., Dср – средний диаметр коронки, мм. В твердых породах ширина лунки выкола составляет от 1 до 5 мм., тогда рациональная частота вращения получается для коронок D=76 мм. и при частоте ударов 1000 – 1500 мин^-1 от 10 до 30 об/мин. (Поскольку в станках с коробкой передач такие малые обороты не предусмотрены, специально для ударно-вращательного бурения в твердых породах в станке устанавливают понижающий редуктор).

δ

а. б.

Рис. 44.

При ударно-вращательном бурении в породах средней крепости разрушение породы на забое происходит не только за счет ударов, но в этих породах в разрушении участвуют уже и осевая нагрузка и вращение коронки. Роль последних тем больше, чем слабее порода. Для бурения в таких породах применяют коронки с более острыми твердосплавными резцами с передним углом приострения, что позволяет разрушать породу, кроме ударных импульсов и за счет внедрения резца под действием осевой нагрузки и срезать часть (не разбитой ударом) породы вращением коронки. В скальных породах средней крепости ширина лунки выкола может составлять до 15 – 20 мм. ( Рис. 44б).

Поскольку при бурении в таких породах Сос. и n начинают играть существенную роль, их значения рекомендуется повышать для Сос. до 8 – 12 кН и для n до 60 – 120 об/мин

Третий параметр режима бурения – расход промывочной жидкости для этой разновидности бурения зависит не от условий очистки забоя скважины и охлаждения коронки, а от необходимости подавать к гидроударнику необходимое количество гидравлической энергии. Для эффективной работы среднечастотных гидроударников даже малого диаметра (76 – 59 мм.) требуется расход жидкости порядка Q =100 – 200 л/мин, что значительно больше, чем нужно для вращательного бурения ( 20 – 70 л/мин), а при использовании гидроударника D = 151 мм. расход жидкости должен составлять Q = 350 – 600 л/мин. В тех случаях, когда излишний поток жидкости вредит процессу бурения размывает керн или создает самозаклинивание керна, ниже гидроударника в снаряд включают делитель потока, через который лишний расход жидкости сбрасывается в затрубное пространство выше колонковой трубы.