Глава 30. Ударно-канатное бескерновое бурение

Ударно-канатное бескерновое бурение твердых полезных ископаемых ведется в основном при разведке россыпных месторожде­ний золота. Подавляющая часть россыпей приурочена к долинам рек. Поэтому геологические разрезы сложены перемежающимися раздельнозернистыми и глинистыми породами: глинами, илами, песками, гра­вием, дресвой, галечником, валунами. Причем основная часть горных пород (около 75-80 %) представлена мерзлыми породами, а остальные -талыми породами, как правило, сильно обводненными.

В таких условиях бурение вращательным способом сопряжено с огромными трудностями, обусловленными неустойчивостью стенок скважин, обвалами горной породы, быстрым разрушением коронок и т.д.

Промышленное содержание золота в россыпях составляет от не­скольких десятков до нескольких граммов на тонну на 1 м³ при весьма неравномерном его распределении по объему. Попадание излишней золотинки массой 1 мг (например со стенок скважины) при бурении скважин диаметром 168-219 мм приводит к погрешности, сопоставимой с промышленным содержанием металла. Вероятность попадания осо­бенно крупных золотин определяется объемом пробы. Все это предъяв­ляет очень строгие требования к тщательности и точности отбора проб. При бурении вращательным способом с промывкой скважины выпол­нить эти требования невозможно. Поэтому в настоящее время наиболь­шее распространение при разведке россыпных месторождений получил ударно-канатный способ.

Рассматриваемый, способ имеет целый ряд недостатков, основ­ными из которых являются низкая производительность, большая метал­лоемкость вследствие большого числа обсадных колонн, сложность ли­квидации аварий.

30.1 Оборудование. Буровой снаряд

Как известно из курса «Буровые машины», установка ударно-канатного бурения при помощи ударного механизма преобразует вращательное движение горизонтального вала в возвратно-поступательное движение бурового снаряда. В качестве буровой установки для ударно-канатного бурения чаще других используют установки БУУ-2, реже УКС-22 и УКС-30.

Разрушение горных пород при ударно-канатном бескерновом способе бурения осуществляют буровым снарядом (рис. 30.1), состоя­щим из долота 1, ударной 2 и раздвижной 3 штанг, канатного замка 4 и каната 5, который соединяется через головной ролик мачты 7, оттяжной 10 и направляющий 12 ролики ударного механизма с барабаном инстру­ментальной лебедки 13.

В результате колебательного движения балансирной рамы 11 ударного механизма производится подъем и сбрасывание бурового сна­ряда на забой. Под действием ударов лезвия долота по забою происхо­дит смятие, скалывание и дробление горной породы.

При очередном подъеме бурового снаряда над забоем под дейст­вием его веса происходит раскручивание каната, снаряд поворачивается на некоторый угол относительно первоначального положения, вследст­вие чего при дальнейшем сбрасывании снаряда лезвие долота разрушает новый участок горной породы забоя. После сбрасывания снаряда и сня­тия нагрузки с каната он вновь закручивается. Такому закручиванию способствует наличие специальной поворотной втулки (гильзы) в ка­натном замке с малым коэффициентом трения. В процессе долбления горной породы в скважину подливают воду и разрушенная порода при расхаживании снаряда переходит во взвешенное состояние в виде пуль­пы, что позволяет вести углубку скважины на значительную величину (до одного метра и более). После очередной углубки на некоторую ве­личину в скважину спускают желонку с клапаном и забой очищают от пульпы. Затем вновь спускают долото и производят долбление породы. При бурении рыхлой породы долбление породы долотом может не про­изводиться. Для закрепления стенок скважин в последнем случае одно­временно с бурением опускают в скважину обсадные трубы.

Рис. 30.1. Принципиальная схема ударно-канатного бурения: 1 -долото; 2 - ударная штанга; 3 - раздвижная штанга; 4 - канатный замок; 5 - ин­струментальный замок; б - желоночный канат; 7 - головной ролик мач­ты; 7а - ролик желоночного барабана; 8 - амортизатор; 9 - мачта; 10 -оттяжной ролик; 11 — рама балансирная; 12 — направляющий ролик; 13 -барабан инструментальной лебедки; 14 - желонка; 15 - трансмиссион­ный вал; 16- ударный вал; 17- кривошип; 18 - гнезда для установки пальца шатуна; 19 - шатун; 20 — желоночный барабан

Буровой снаряд

Буровой снаряд для ударно-канатного бескернового буре­ния, как отмечено выше, состоит из долота (рис. 30.2), ударной и раз­движной штанг, канатного замка и каната.

При ударно-канатном бурении при разведке россыпных место­рождений применяют плоские, двутавровые округляющие и пирами­дальные долота. Плоские долота (рис. 30.2, а) могут быть двух испол­нений: для бурения в крепких породах (ДП) и для бурения в мягких по­родах - облегченное долото (ДПО).

Это наиболее производительные долота. Однако в случае исполь­зования их при бурении твердых вязких пород стенки скважин оказы­ваются неровными с продольными каналами, что препятствует установ­ке обсадных труб. Поэтому их следует применять либо по мягким поро­дам, либо по твердым хрупким породам или скважинами без крепления обсадными трубами.

Для предупреждения образования на стенках скважины в твер­дых вязких породах продольных канавок, придания скважине округлой формы и бурения трещиноватых пород более эффективны двутавровые и округляющие долота.

Двутавровое долото (ДД) (рис. 30.2. б) применяют редко, только для бурения вязких пород средней твердости не сильно трещи­новатых Лезвие этих долот более тонкие в средней части, а по концам имеют выступающие в обе стороны от лезвия борта (тавры), что позво­ляет бурить округлую скважину без продольных канавок.

Округляющее долото (ДО) (рис. 30.2, ж. з) более массивно и предназначено для бурения твердых горных пород, может быть исполь­зовано для бурения валунно-галечииковых отложений. Лезвие долота копытообразной формы с выступами, способно дробить даже крепкие, трещиноватые породы.

Так же как и двутавровое долото, оно позволяет бурить округлые скважины с нормальной обработкой стенок скважин. Боковые лезвие долота резко снижают его износ.

Массивные крестовые долота (ДК) (рис. 30.2, в) используют для бурения валунно-галечниковых отложений и сильнотрещиноватых горных пород и валунов. Вследствие большой контактной поверхности лезвий это самые низко производительные долота и поэтому использу­ются весьма редко, в крайнем случае, при невозможности использова­ния других типов долот.

Рис. 30.2. Долота для ударно-канатного бурения: а, г - лопастное долото: 1 - лезвие; 2 - головка; 3 - корпус; 4 - желоб; 5 - шейка; б - прорезь; 7 -кольцевые проточки; 5 - резьба; б, е- двутавровое долото; в, д - кресто­вое долото; ж, з - округляющее долото; и — долото со сменными лезвия­ми: 1 - съемное лезвие; 2 - шпилька; 3 - винт; 4 - головка винта; 5 -корпус; к - комбинированное долото: 1 - головка; 2 - корпус; 3 – лезвия

Пирамидальные долота хороши при бурении в валунно-галечниковых отложениях для раскалывания и сдвига валунов в сторону от ствола скважины.

Размеры и масса долот приведены в табл. 30.1.

Таблица 30.1

Тип до­лота	Размеры долота, мм			Угол приострения долота, град	Масса долота, кг
	Диаметр	Толщина	Длина
ДП-190	190	70	1200	90	115
ДП-140	140	40	1 100	100	70
ДПО-190	190	70	1 000	90	85
ДПО-140	140	40	1 100	70 .	40
ДД-190	190	120	750	90	120
ДД-140	140	90	650		75
ДО-190	190	120	1 200		120
ДО-140	140	90			75
ДК-190	190	50		130	145
ДК-140	140	40		90	84

С целью замены быстро изнашиваемых лезвий долот в Северо-Восточном геологическом управлении созданы долота со сменными лезвиями (рис. 30.2, и).

Ударные штанги (рис. 30.3, а) предназначены для увеличения массы бурового снаряда, а также предупреждения искривления сква­жин. Они представляют собой массивные цельнометаллические стержни с конической резьбой на концах. Для возможности комплектования массы бурового снаряда их выпускают с различными размерами - с вы­саженными концами и гладкоствольные (табл. 30.2).

Таблица 30.2

Размеры штанги, мм		Масса, кг
Диаметр	Длина	без высадки	с высадкой
112	4 000;6 000	303; 460	183; 270
140	2 000; 4 000; 6 000	232; 464; 990	136; 272; 400
150	2 700	350	—

Раздвижные штанги (рис. 30.3, б, табл. 30.3) предназначены для отрыва (выбивания) расклинившегося долота в скважине при буре­нии вязких и трещиноватых пород и валунно-галечниковых отложений.

Они представляют собой два замкнутых звена, с длиной хода 250 мм. Нижнее звено имеет внутреннюю, в верхнее наружную конусную резь­бу для соединения с элементами снаряда.

Таблица 30.3

Размеры штанги, мм			Масса, кг
Диаметр	Ширина	Длина
112	120	1 620	112
140	160	1 795	166

Канатный замок (рис. 30.4, табл. 30.4) служит для соединения бурового снаряда с инструментальным канатом и возможности прово­рачивания скручивающего каната относительно сброшенного на забой долота. Он представляет собой пустотелый цилиндрический корпус 2 с внутренней конусной резьбой 1 на нижнем конце. Внутри корпуса уста­навливают поворотную втулку (гильзу) 4, выполненную из материала с малым коэффициентом трения. Внутренняя полость втулки конусная для надежного затягивания «груши» при закреплении в ней каната.

Таблица 30.4

Размеры замка, мм		Масса, кг
Диаметр	Длина
112	1 100	65
140	1 100	95

Желонки при ударно-канатном бурении применяют как для очи­стки забоя от разрушенной долотами горной породы (пульпы), так и для бурения скважин в рыхлых породах: песках, супесях, галечниках. При канатно-ударном бурении применяют желонки с плоским и полусфери­ческим клапаном (рис. 30.5). Желонки с плоским клапаном предназна­чены для удаления крупных кусков породы и гальки, с полусфериче­ским клапаном - для очистки забоя от мелкозернистой породы. При разведке россыпей применяют поршневые желонки с плоским и шаро­выми клапанами (рис. 30.6).

Диаметры желонок для бурения разведочных скважин на россы­пи 114, 168, и 219 мм; длины-3-4 м. Диаметры башмака должны быть больше желонки на 6-12 мм.

Канаты при ударно-канатном бурении применяют как для под­вешивания и расхаживания бурового снаряда, так и для спуска в сква­жину желонок, пробоотборников, обсадных труб и т.д.

Рис. 30.3. Элементы бурового сна-ряда: а - ударная штанга: 1,4-резьбы; 2 — корпус; 3 - лыски; б -раздвижная штанга (ножницы): 1, 5 - резьбы; 2,3- звенья; 4 – лыски

Рис. 30.4. Канатные замки: а - с вра­щающейся втулкой: 1 - резьба; 2 -корпус; 3 - отверстия; 4 - втулка; 5 -шайба; 6 - скос; 7 - кольцевые проточки; 6 - замок с боковым ок­ном: 1- окно; 2 - втулка; 3 – корпус

Рис. 30.5. Конструкции желонок: а - с плоским клапаном и резьбовой головкой для присоединения к ударному снаряду: 1 - башмак; 2 - пло­ский клапан; 3 - шарнир; 4 - труба-корпус желонки; 5 - вилка; 6 - резь­бовая г оловка; б - с плоским клапаном и дужкой для присоединения ка­ната: 1 - башмак; 2 - клапан; 3 - корпус; 4 - дужка; в - с полусфериче­ским клапаном и языком-рыхлителем: 1 - язык; 2 - башмак; 3 - клапан полусферический; 4 - корпус; 5 – дужка

Рис. 30.6. Желонки поршневые: а - с плоским клапаном и поршнем: 1 - башмак; 2 - клапан; 3 - поршень; 4 - резиновый клапан; 5 - шар­нир; 6 - корпус; 7 - окно; 8 - шток; 9 - кольцо для присоединения каната; б - с шаровым клапаном и поршнем: 1 - башмак; 2 - шаровой клапан; 3 - корпус; 4 - поршень; 5 - втулка; 6 - гайка; 7,9- резино­вые амортизаторы; 8-шток; 10-дужкадля присоединения каната

;

В соответствии с назначением канаты делят на инструменталь­ные (для долбежных операций), желоночные (для спуска желонок и пробоотборников) и талевые (для спуска и подъема обсадных труб). Наиболее ответственными канатами являются инструментальные канаты.

В зависимости от назначения канатов применяют различные их конструкции. Канаты прямой свивки более эластичны и обладают по­вышенной способностью к скручиванию и раскручиванию вследствие того, что направления свивок проволок в пряди и прядей в канате сов­падают. Поэтому для инструментального канала выбирают канат пря­мой свивки. С целью предотвращения самопроизвольного развертыва­ния бурового снаряда под действием раскручивающегося каната, канат выполняют с прямой левой свивкой.

Желоночные и талевые канаты имеют крестовую (левую или пра­вую) свивку.

Запас прочности инструментального каната должен быть не ме­нее 10 при коэффициенте прихвата снаряда, равном 1,5. Остальные ка­наты в соответствии с правилами безопасности - не менее 3.

Для срыва и затяжки резьбовых соединений применяют инстру­ментальные ключи.

Инструмент для крепления скважин

Крепление скважин при разведке россыпных месторожде­ний во многих случаях производят параллельно с бурением и в процессе бурения, поэтому его относят к технологическим операциям, а обсадные трубы (табл. 23.5), как и буровой снаряд, - к технологическому инстру­менту.

Обсадные трубы применяют двух исполнений: с муфтовыми и безмуфтовыми соединениями, (труба в трубу). Обсадные трубы с муф­товыми соединениями применяют в основном для крепления верх­ней приустьевой части скважины, бурящихся в устойчивых мерзлых по­родах на глубину 8-12 м.

Для крепления стенок скважины в процессе бурения используют обсадные трубы безмуфтовых соединений. Такие соединения имеют меньшее сопротивление при забивании и извлечении обсадных труб.

Таблица 30.5

Диаметр трубы, мм		Толщина стенки, мм	Масса 1м, кг
внешний	внутренний
168	144	12,0	46,2
219	194	12,5	63,7

Забивные башмаки (табл. 30.6) предназначены для предохранения нижнего конца обсадных труб от смятия. Башмаки имеют вид толсто­стенного кольца, нижняя часть которого заканчивается закаленным лезвием.

Таблица 30.6

Диаметр трубы, мм	Диаметр башмака, мм		Длина, мм	Масса, кг
	наружный	внутренний
168	192	146	175	11
219	243	195	225	19

Забивные и выбивные головки (рис. 30.7) служат для предупреж­дения смятия обсадных труб при их забивании и извлечении. Они пред­ставляют собой массивные втулки с резьбой для соединения с обсадны­ми трубами, Для забивания и извлечения обсадных труб используют ударную штангу с ударным элементом или бабкой (рис. 30.7).

Рис. 30.7. Схемы забивного (а) и выбивного (б) снарядов: 1 - канат; 2 - канатный замок; 3 - забивной элемент; 4 - забивная многосту­пенчатая головка; 5 — обсадная труба; 6 -штанга; 7 - выбивная головка; 8 — ударный элемент;

Бабка (забивные плашки) предназначена для передачи удара от ударной штанги на обсадные трубы. Она представляет собой две плаш­ки с граненым окном между ними для установки на высадку ударной штанги. Плашки соединяют двумя болтами.

Хомуты для обсадных труб служат для удержания обсадных труб на весу при их спуске.

Рис. 30.8. Аварийный инструмент дм ударно-канатного бурения: а - инстру­мент с двурогим ершом для ловли оборвавшегося каната: 1 - двурогий ерш; 2 - ловильные ножницы; 3 - ударная штанга; 4 - канатный замок; б - однорогий ерш; в - вилка ловильная; г - ловильннк с плашками (шлипс): 1 - башмак; 2 -плашки; 3 - распорная труба; 4 - корпус; 5 - пружин д -ловильный коло­кол; е - канаторезка: 1 - скоба; 2 - резак; 3 - канат; ж - боковое долото; з -ударник: / - корпус; 2 - скоба; 3 - продольный паз; 4 - болты; 5 – ролики

Для ликвидации аварий применяют следующий аварийный инст­румент (рис 30.8): однорогие б и двурогие а ерши, ловильную вилку в, ловильник с плашками г, канаторезка е, боковое долото ж, ловильные ножницы а, 2, колокол д, ударник з.