I. Основные способы бурения

БУРОВЫЕ РАБОТЫ

Бурение производится при взрывных работах, с целью разведки напластова­ний грунтов, залежей каменных материа­лов, для водоснабжения и водопонижения и для других производственных целей.

В разрабатываемых породах бурильным инструментом бурят цилиндрические отверстия — выработки. Выработку диаметром до 75 мм и глубиной до 6 м называют шпуром, выработку боль­ших размеров — скважиной. Шпу­ры и скважины бывают вертикальными, наклонными и горизонтальными. Начало шпура или скважины у поверхности зем­ли называют устьем, низ — забоем, бо­ковые поверхности — стенками.

Процесс бурения состоит из двух операций: разрушения (отделения) породы на дне скважины и удаления разрушен­ной породы из скважины.

Эффективность бурения скважин и шпуров определяется скоростью бурения, которая зависит от: физи­ко-механических свойств грунта, в ос­новном от сопротивления породы разру­шению под действием бурового инстру­мента; вида и формы бурового инструмен­та и способа его воздействия на забой скважины (ударное, вращательное, удар­но-вращательное и т. д.); диаметра сква­жины и, в ряде случаев, ее глубины; способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи; общей организации и масштаба производ­ства буровых работ.

Трудоемкость бурения породы — буримость — характеризуется временем чистого бурения 1 м скважины (шпу­ра) и зависит от крепости породы.

Разрушенный грунт (буровая мелочь, шлам) удаляется из скважин глинистым раствором или водой, струей сжатого воздуха, шнековыми устройствами, же­лонками и другими приспособлениями.

Стенки скважины в слабых, рыхлых и насыщенных водой грунтах крепят сталь­ными обсадными трубами. Колонны об­садных труб составляют из звеньев дли­ной 1,5...4,5 м, соединяемых муфтами, ниппелями или свинчиванием (труба в трубу).

В зависимости от геологических и гид­рогеологических условий выработок и их глубины применяют те или иные спо­собы бурения, которые можно подразделить на две основные группы.

К первой группе относятся ударный (ударно-канатный), ударно-вращатель­ный, вращательный, а также вибрацион­ный способы бурения, при которых по­роду разрушают механически, воздейст­вуя на нее породоразрушающими инстру­ментами.

Ко второй группе относятся термиче­ский, взрывной, гидравлический и элект­рогидравлический способы, при которых для бурения используются физико-хими­ческие методы разрушения горных пород.

Ударный (ударно-канатный) способ заключается в том, что буровой снаряд массой 1000...3000 кг падает с опреде­ленной высоты в забой скважины и раз­рушает породу благодаря развивающей­ся при его падении живой силе удара. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, вследствие чего создаются условия для равномерного разрушения всей площади забоя скважины. Во время бурения в скважину периодически подают воду и образовавшийся шлам вычерпывают же­лонкой.

Станками ударно-канатного бурения бурят скважины в неоднородных и разно-прочных грунтах диаметром до 400 мм и глубиной до 50 м. Из-за сравнительно невысокой производительности станки ударно-канатного бурения вытесняются более производительными станками удар­но-вращательного и вращательного буре­ния.

Принцип ударного бурения использо­ван в пневматических бурильных молот­ках (ручных и колонковых перфорато­рах), которые широко применяются для бурения шпуров диаметром 32...40 и 50...75 мм в полускальных и скальных грунтах.

Ударно-вращательное бурение с по­гружным пневмоударником (пневмоударное бурение) по сравнению с ударно-канатным имеет более высокую скорость; при этом можно бурить направленные (от 0 до 90° к. горизонтали) скважины, отсутствует необходимость в подвозке тяжелого инструмента и снабжении во­дой. Ударное действие и вращение доло­та осуществляются двумя независимыми механизмами. Станками ударно-враща­тельного бурения можно бурить скважи­ны диаметром до 155...200 мм, глубиной до 36 м в скальных грунтах средней и выше средней крепости.

К ударно-вращательному бурению можно отнести шарошечный способ буре­ния, который по кинематике действия рабочего органа является типично вра­щательным, а по динамике действия породоразрушающего наконечника — удар­ным.

Станки шарошечного бурения получи­ли наибольшее распространение для бу­рения скважин диаметром 190...320 мм и глубиной до 35 м в полускальных и скальных грунтах. Основные их досто­инства — высокая производительность (20... 150 м в смену), непрерывность про­цесса бурения и возможность его автома­тизации; недостатки — большая масса станков и малая стойкость долот в труднобуримых породах.

Вращательное бурение заключается в том, что буровой снаряд из штанг шнекового типа с резцовой коронкой, прижа­тый к забою скважины за счет массы стан­ка, получает вращение от двигателя стан­ка. Резцы коронки при вращении в забое скважины срезают породу, которая в виде мелочи непрерывно удаляется из скважины спиральными витками штанг.

Вращательное бурение скважин осу­ществляется в основном станками шнекового бурения, а в отдельных случаях, для бурения разведочных скважин в осо­бо вязких абразивных грунтах (для по­лучения керна),— станками алмазного и дробового бурения.

Преимущества вращательного буре­ния — достаточно высокая скорость бу­рения в плотных и полускальных грун­тах и непрерывность процесса, воз­можность бурения как вертикальных, так и наклонных скважин.

При вибрационном бурении применяют вибраторы направленного (вертикально­го) действия, жестко присоединенные к колонне буровых труб, имеющей на кон­це рабочий наконечник. Под действием вибрирующего снаряда некрепкие грун­ты и породы выделяют связанную воду; часть породы в зоне контакта с вибри­рующим наконечником переходит в по­движное состояние, что влечет за собой резкое снижение сопротивляемости грун­та сдвигу и способствует погружению вибробурового снаряда в породу.

Для вибробурения шпуров и скважин диаметром до 125 мм и глубиной до 20...25 м. применяют самоходные виброустановки. При вибропогружении повышает­ся почти в 10 раз скорость проходки сква­жины по сравнению с ударно-канатным бурением, однако с увеличением глубины выработки до 15...20 м скорость резко уменьшается.

Термическое (огневое) бурение основа­но на прожигании породы высокотемпе­ратурной газовой струей, выходящей со сверхзвуковой скоростью из сопла огнеструйной горелки. Для получения высо­котемпературной газовой струи исполь­зуют распыленный керосин и газообраз­ный кислород (иногда воздух). Порода нагревается до температуры 2000°С, уве­личивается в объеме, растрескивается и разрушается на мелкие частицы, которые вместе с продуктами сгорания удаляются из скважины струей охлажденных газов. Термическое бурение применяется только в исключительно труднобуримых кварцсодержащих скальных, а также в мерзлых грунтах. Ручные термобуры применяют для бу­рения шпуров диаметром 60 мм и глуби­ной 1,5...2 м, а передвижные станки — для бурения скважин диаметром 250...360 мм, глубиной до 17...22 м. Произ­водительность станков в хорошо термобуримых породах достигает 12... 15 м/ч.

Гидравлическое бурение основано на использовании ударного действия тонкой высоконапорной струи воды, подаваемой в забой скважины со сверхзвуковой ско­ростью. Гидравлический способ особенно эффективен при устройстве скважин глу­биной до 8 м в мягких и водонасыщенных грунтах. Эксперименты подтверждают возможность использования этого спосо­ба для бурения скальных грунтов.

Электрогидравлическое бурение осно­вано на явлении гидравлических ударов, возникающих в жидкой среде вследствие импульсного разряда между разомкну­тыми контактами электрической цепи, к которым подводится высокое напряже­ние. Если в зоне высоковольтных элект­рических разрядов поместить породу, то под действием многократно повторяю­щихся ударов она разрушится. Этот ме­тод находится в стадии промышленных экспериментов.

Применение ультразвука для бурения скважин и резания пород основывается на совместном воздействии на хрупкую породу ультразвуковых колебаний буро­вого инструмента (частота свыше 20 кГц) и кавитационного эффекта в промывочной жидкости. Источником ультразвука являются мощные магнитострикционные излучатели. Ведутся работы по звуково­му и инфракрасному разрушению пород.

Взрывобурение заключается в том, что в забой скважины периодически подают­ся ампулы с жидкими компонентами взрывчатого вещества (ВВ) — окислите­лем и горючим. По трубам в воде или из сопла взрывобура посылаются твердые заряды ВВ массой 150...200 г с частотой 20...25 зарядов в час. Может быть также применен взрывобур, являющийся доза­тором непрерывно подаваемого горючего и окислителя (четырехокись азота и ке­росин) и непрерывно (или прерывно) по­ступающего инициатора взрыва (напри­мер, сплава К и Na).

Создаются станки взрывного бурения скважин диаметром до 300 мм и с глуби­ной бурения до 40 м, а также взрывобуры для дробления негабарита.

Плазмобурение заключается в нагреве забоя скважины плазменным факелом, образующимся в плазмотроне (электри­ческой дуге между электродом и соплом газовой горелки, охлаждаемой водой) при прохождении струи азота или смеси азота и водорода.

Несмотря на создание и внедрение но­вых физических и комбинированных ви­дов бурения, в ближайшее время механи­ческие виды (ударное, ударно-вращатель­ное и вращательное) бурения пород оста­нутся преобладающими.

Бурение шпуров и скважин

Для бурения шпуров наиболее часто применяют перфораторы (пневматиче­ские отбойные молотки) и электросверла.

Рабочей частью перф ораторов (рис. IV.\, а, в) являются долотчатый буровой инструмент, крестообразные и звездчатые буры и коронки. Форма и ма­териал бурового инструмента зависят от свойств (крепости, вязкости и т. п.) и трещиноватости грунтов.

Шпуры глубиной до 2,5 м и диаметром до 45 мм бурят ручными легкими (до 20 кг) и средними (до 25 кг) перфоратора­ми; глубиной более 2,5 м и диаметром 47...75 мм — тяжелыми (до 35 кг), уста­навливаемыми на специальных тележках или треногах.

Рис. 1. Оборудование и инструмент для бурения шпуров и скважин:

п — бурильный молоток (перфоратор ПР-30); б — ручное электрпгяепло; в — формы головок бура: г — схема ручного термобура; д — буры ручные; е — самоходная установка колонкового бурения; ж — рабочие нако­нечники; 1 — рама; 2 — цилиндр; 3 — буродержатель; 4 — глушитель; 5 — поворотная рукоятка; 6 — воз­душный шланг; 7 — патрубок; 8 — корпус; 9 — ручка; 10 — электрокабель;, // — патрон; 12 — крышка; 13 — сопло; 14 — камера сгорания; 15 — топливная трубка; 16 — щиток; П — труба; 18 — воздушный кран; 19 — манометр; 20 — топливный кран; 21 — топливный шланг; 22 — редукторный клапан; 23 — топлив­ный насос; 24 — топливный бак; 25 — ручной бур; 26 — напарье-змеевик; 27 — напарье-желонка; 28 — кла­пан; 29 — двигатель; 30 — насос; 31 — блок; 32 — мачта; 33 — трос; 34 — вертлюг; 35 —- штанга; 36 — ро­тор; 37 — буровой снаряд; 38 — коронка, армированная резцами из твердого сплава; 39 — то же, мелкими алмазами; 40 — дробовая коронка; 41 — шарошечное долото; 42 = крестовое долото; 43 — уступчатое до­лото

Электросверла — легкие с ручной подачей и тяжелые с автоматиче­ской — применяют для вращательного бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 5 м в породах различной твердости. Рабочим органом любого свер­ла является сменный резец, укрепляе­мый на конце буровой штанги. При экс­плуатации ручного электросверла (рис. IV. 1, б) осевое давление создается за счет мускульной энергии бурильщика.

В мерзлых грунтах шпуры диаметром 50...70 мм и глубиной до 2 м можно бу­рить с применением горячего (60... ...90 °С) сжатого воздуха. Для это­го используют установку, состоящую из компрессора и калорифера. Горячий воз­дух размораживает грунт и выбрасывает его из шпура.

Для бурения шпуров в мягких и плот­ных грунтах на глубину до 3 м применяют также ручной способ. При этом пользуют­ся ручным буром-щупом (рис. IV. 1, д, 25), снабженным различными наконечниками.

Термический способ ис­пользуют для бурения очень крепких по­род кристаллической структуры. Ручны-мы термобурами (рис. IV. 1, г) бурят шпуры диаметром 60 мм и глубиной 1,5... ...2 м; передвижными станками термиче­ского бурения — шпуры и скважины диа­метром до 130 мм и глубиной до 20 м.

Рабочим инструментом является го­релка реактивного типа, в которую пода­ют смесь горючего, состоящего из кисло­рода (или воздуха) и керосина. Охлаж­дается горелка водой, которая под воз­действием высоких температур перехо­дит в пар, выносящий на поверхность продукты разрушения породы.

По производительности даже ручное термобурение в 3—8 раз эффективнее ме­ханического.

Бурение скважин производят ударным (ударно-канатным), ударно-вращатель­ным, вращательным и вибрационным способами.

Ударно-канатные буровые станки используют только в разнородных и разнопрочных грунтах, а также для бурения разведоч­ных скважин при диаметре их 150...350 мм и глубине до 50 м. Из-за отсутст­вия резервов увеличения мощности и производительности. Для бурения взрывных скважин в однородных грунтах не применяются.

Станки с погружными пневмоударниками применяются для бурения скважин диаметром 100...200 мм и глубиной до 30 м только в труднобуримых и абра-

зивных скальных грунтах. Производи­тельность станков с погружными пневмо-ударниками 10...35 м/смену, а затраты в 1,5—2,5 раза выше, чем при шарошеч­ном бурении. Станки конструктивно про­сты; возможно многошпиндельное буре­ние. Основные их недостатки — малая стойкость буровых коронок, низкая про­изводительность и большое пылеобразо-вание.

Станки шнекового бурения широко применяются для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 125... ... 160 мм и глубиной до 25 м в плотных и полускальных грунтах (аргиллите, мяг­ком известняке, мергеле и т. п.). Произ­водительность от 15 до 100 м/смену. Стан­ки просты в эксплуатации, при их работе обеспечиваются благоприятные санитар­но-гигиенические условия.

Для вращательного бурения скважин применяют самоходные бурильные и бурильно-крановыеустановки. Бурильный инструмент входит в толщу породы вращательно-поступательным движением по направлению своей оси. Различают два способа вращательного бурения: колонковый и роторный. В станках колонкового и роторного буре­ния для очистки скважины и охлаждения бурового инструмента применяют гли­нистый раствор. Циркулируя в скважи­не, раствор проникает в буримую породу, что предотвращает обрушение стенок скважины, не имеющих обсадных труб.

При колонковом способе в нижней части бурового снаряда уста­навливают колонковую трубу, которую при помощи переходников соединяют с кольцевой коронкой, армированной рез­цами из твердых сплавов или алмазами.Сначала выбури­вают кольцевой забой, а остающийся не­тронутым столбик породы (керн) входит в колонковую трубу, вместе с которой его извлекают на поверхность. Иногда при колонковом бурении вместо армирован­ных применяют дробовые коронки (рис. IV. 1, ж, 40). В этом случае для разру­шения породы б заоок скважины насы­пают чугунную или стальную дробь.

При роторном способе бу­рильные трубы вращает специальный вращатель-ротор, устанавливаемый не­посредственно над устьем скважины. Ротор имеет отверстие, через которое пропущена ведущая штанга квадратного сечения. Для разрушения крепких пород при роторном бурении чаще всего приме­няют шарошечные (рис. IV. 1, ж, 41) и уступчатые долота (рис. IV. 1, ж, 43), которые разрабатывают грунт по всей площади забоя скважины. Шарошечные долота позволяют достичь высоких удельных давлений на забой, что повы­шает производительность и. позволяет разрушать скальные породы.