Буровой инструмент для шнекового бурения
В шнековом бурении определяющую роль играет буровой инструмент, от которого и произошло название вида бурения. В практике шнекового бурения выделено три разновидности и соответственно три компоновки бурового технологического инструмента:
бескерновое шнековое бурение осуществляют долотом и колонной обычных шнеков;
шнеко-колонковое бурение ведут с использованием магазинного шнека с коронкой и колонны обычных шнеков;
бурение колонной полых шнеков с использованием съемного керноприемника или съемного долота.
При бурении в мягких и рыхлых породах применяют двух- и трехлопастные долота режущего типа со спиральными или плоскими лезвиями, армированными твердым сплавом. Для пород средней твердости, где нужна более высокая износостойкость, применяют долота округленного профиля со значительно большей насыщенностью твердым сплавом. Основные виды шнековых долот приведены на рис. 8.27.
Рис. 8.27. Породоразрушающий инструмент для шнекового бурения: а — спиральное лолото для рыхлых пород; б — долото для плотных пород 1 ДРШ-М; в — долото для слабых скальных пород (угля); г — коронка для магазинного шнека При шнекоколонковом бурении и бурении полыми шнеками породоразрушающий инструмент представлен специальными шнековыми коронками, разрушающими породу по кольцевому забою режущими лопастями. Обычно коронки имеют от 3 до 6 лопастей, армированных твердым сплавом, с гладкой или ступенчатой режущей поверхностью (см. рис. 8.27, г).
Буровые шнеки
Основой бурового инструмента для шнекового бурения служат буровые шнеки составляющие колонну с непрерывной спиральной ребордой от полота или коронки на забое до поверхности. В зависимости от разновидности бурения применяют три основных вида шнеков: обычные, в том числе и утяжеленные, магазинные и полые. Наиболее часто применяют обычные буровые шнеки.
Шнек — это труба с навитой на ней спиральной ребордой. Спираль получают путем навивки стальной ленты на специальную винтовую оправку, затем ее надевают на трубу шнека, растягивают вдоль трубы до получения нужного шага и приваривают. К концам трубы шнека приваривают соединительные элементы (рис. 8.28, а).
Рис. 8.28. Буровой и магазинный (колонковый) шнеки
Как видно из табл. 8.10, наружный диаметр шнека составляет 0,88— 0,95 от диаметра долота, что обеспечивает свободное вращение шнековой колонны и способствует закреплению стенок скважины.
Обычные шнеки различаются размерами по наружному диаметру спиральной реборды диаметром трубы шнека, шагом спиральной реборды, общей длиной и устройством соединительных элементов. Для разных буровых установок применяют разнообразные шнеки, отличающиеся размерами и устройством соединений, что часто исключает их взаимозаменяемость (табл. 8.10).
Таблица 8.10. Размеры шнеков для установок шнекового бурения
Установка |
Диаметр долота, мм |
Диаметр шнека, мм |
Диаметр трубы, мм |
Размер реборды. мм |
Шаг, мм |
Длина шнека, мм |
Тин соединений |
КМ-10 |
64-70 |
362 |
25 |
20x2 |
50 |
1240 |
Резьбовое |
УК Б 12/25 |
76 |
70 |
25 |
23,5x3 |
55 |
1000 |
>> |
УПБ-100 |
105-112 |
100 |
42 |
25x3 |
60 |
1000 1500 |
Шести- гранное |
УГБ-50М |
151 |
135 |
73 |
30x5 |
100 |
1500 |
То же |
УГБ-1ВС |
198 250 |
180 230 |
73 89 |
53,5x5 70,5x5 |
125 167 |
1500 1500 |
|
Кроме обычных шнеков, применяют утяжеленные буровые шнеки, отличающиеся от обычных увеличенной толщиной до 10—16 мм реборды, приваренной к трубе двумя швами (сверху и снизу). Как правило, в колонну при встрече валунно-галечных отложений вставляют 2—3 утяжеленных шнека. Утяжеленные шнеки, кроме повышенной прочности, обеспечивают также плавность вращения шнековой колонны.
Соединения обычных буровых шнеков могут быть двух типов — шестигранные замки и резьбовые соединения (рис. 8.28). Наиболее распространены и имеют наибольшие достоинства шестигранные соединения. При таком типе соединений на одном конце шнека имеется наружный шестигранник с поперечным отверстием, а на другом — внутренний шестигранник с таким же отверстием. При соединении шнеков в колонну наружный шестигранник входит во внутренний другого шнека, поперечные отверстия совпадают и в них забивают запорный палец. Шестигранное соединение в отличие от резьбового обеспечивает точное совпадение спирали реборды одного шнека со спиралью следующего и получение непрерывной спирали по всей колонне шнеков. Не менее важно то, что при таком соединении шнековую колонну можно вращать как вправо, так и налево. Это позволяет легко извлекать шнеки в случае их прихвата породой, а также осуществлять тампонирование скважины, транспортируя при левом вращении породу к забою скважины.
Для бурения с отбором ненарушенных образцов породы из отдельных интервалов скважины на нижнем конце шнековой колонны устанавливают магазинный (колонковый) шнек. Магазинный шнек (см. рис. 8.28, 6) состоит из трубы 1, диаметр которой несколько больше, чем у трубы обычного шнека. На наружной поверхности трусы приваривают спиральную реборду с шагом и наружным диаметром, равными обычным шнекам. На нижнем конце магазинного шнека на резьбе навинчена коронка 3, а внутри размещена разъемная гильза.
Для бурения с непрерывным отбором ненарушенных образцов съемным грунтоносом или для доставки на забой заряда ВВ без подъёма шнеков в скважинах с неустойчивыми стенками при сейсморазведке применяют колонну полых шнеков, у которых за счет увеличения диаметра трубы несколько уменьшена ширина реборды и применены соединение, оставляющие открытым центральное отверстие трубы. Кроме указанных задач, полые шнеки можно использовать для бурения и оборудования с послойным опробованием водоносных горизонтов гидрогеологических скважин, при бурении комбинированных скважин для проходки и закрепления интервалов неустойчивых под с оставлением полой колонны шнеков в качестве обсадной, особенности конструкции полых шнеков сводятся к устройству их соединений. Для полых шнеков обычно используют фиксированные соединения (шлицевые, кулачковые, восьмигранные и др.), позволяющие получить совпадение спирали и осуществить левое вращение. Наиболее характерные соединения полых шнеков приведены на рис. 8.29,6.
Рис 8.29. Инструмент для шнеко-колонкового бурения: исковая колонна со съемным керноприемником; 5—соединения полых шнеков
Буровые установки, применяеные для шнекового бурения
Для шнекового бурения используют станки (установки) с подвижным вращателем, поскольку конструкция шнеков исключает использование станков шпиндельного и роторного типов. Станок должен осуществлять вращение шнеков с частотами от 1 до 5 сˉ1 развивать значительный крутящий момент, обеспечивать осевое перемещение шнеков с ходом подачи не менее длины шнеков (1—3 м) и регулирование осевой нагрузки как вниз дополнительно к весу шнеков, так и вверх — бурение с разгрузкой. Учитывая высокие скорости бурения, следовательно, минимальные затраты времени на сооружение скважины, станки шнекового бурения должны обладать высокой транспортабельностью. Практически для шнекового бурения применяют переносные или самоходные буровые установки (табл. 8.11).
Таблица 8.11. Параметры буровых установок, применяемых для шнекового бурения
Станок |
Параметры |
|||||
Транспортабельность |
Глубина бурения, м |
Диаметры скважин, мм |
Частоты вращения, с -1 |
Ход подачи, мм |
Тип подачи |
|
Мотобур КМ-10 УКБ 12/25 УКБ 12/25с |
Переносной Переносная Самоходная |
10 15 |
70; 105 70; 105; 140 |
4,5 1,7-4,5 |
1000 1200 |
Ручная Механическая с ручным приводом |
УПБ-100Р УПБ-100ГТ2 УГБ-50М УГБ-1ВС УГБ-1 ВСТ ЛБУ-50 |
Переносной Самоходная >>> |
25 50 |
76; 112 151; 198; 250 198; 250 |
2,1-3,9 1,0-6,0 1,1-3,3 0,55-8,33 1,0; 1,8 2,3-5,4 |
1200 3500 1500 3250 3250 |
Гидравлическая |
УРБ-2А-2 |
>>> |
30 |
151 |
2,3-5,4 |
5200 |
>> |
СБГ-2 ПМ Стерх |
Переносная |
20-30 |
250 |
|
2000 |
Цепной полиспаст с приводом от гидроцилиндра |
УБГ-ЛГ1 "Аллигатор" |
Самоходная |
10-100 |
320 |
|
1400 |
|
УБГ-СГ "Беркут" |
Самоходная |
40-200 |
650 |
|
4000 |
|
Кроме приведенных в табл. 8.11 для шнекового бурения специальных (взрывных, сейсмониских) скважин, применяют и другие установки: УШ-1Т, УШ-2Т, УШБМ-16, КБУ-15.
Наиболее распространенной и характерной для бурения геологоразведочных, гидрогеологических и инженерно-геологических скважин является установка УГБ-IBC (УГБ-50М). Привод подвижного вращателя осуществляется от двигателя через коробку передач и вертикальный вал, установленный вдоль мачты станка. Подача вращателя производится двумя гидроцилиндрами, обеспечивающими плавное, в пределах 30—80 кН регулирование осевой нагрузки, а также спуск и подъем шнеков при бурении.
Подъем колонны шнеков из скважины производят планетарной лебедкой, которую можно использовать и для ударно-канатного бурения стаканами, желонкой или для работы с обсадными трубами.
Технология шнекового бурения
Выбор технологических решений при шнековом бурении зависит от целей, задач и геологических условий бурения. Назначение скважин задачи ее бурения определяют выбор разновидности: обычное бескерновое, бурение рейсами с использованием магазинных шнеков для эпизодического отбора ненарушенных образцов породы, бурение полыми для постоянного отбора ненарушенных образцов или для доставки на забой заряда ВВ. В преобладающем большинстве случаев применяют бескерновое бурение, в отдельных случаях — с использованием магазинных шнеков для эпизодического отбора ненарушенных образцов.
Ядром технологии является режим бурения, включающий для шнекового бурения три параметра:
частоту вращения
осевую нагрузку
скорость подачи
Частота вращения
Выбор рациональной частоты вращения определяется двумя пределами нижним, обеспечивающим транспортировку породы, и верхним, ограничивающим частоту вращения появлением вибрации шнековой колонны или недостаточностью приводной мощности. Практически во всех случаях увеличение частоты вращения улучшает транспортировку породы и повышает скорость бурения. Особенно важно увеличивать частоту вращения при бурении в вязких липких породах. При бурении в плотных и твердых породах необходимо снижать частоту вращения во избежание перегрева долота. Рекомендуемая частота вращения для мягких пород 2,0—3,5 с1, для плотных- 1,0-2,0 с1.