Ударно-вращательное бурение пневмоударниками
При ударно-вращательном бурении гидроударниками в обычных условиях мы получаем незначительный прирост скорости бурения, часто не окупающий дополнительных затрат, связанных с использованием гидроударника и специальных коронок. Лишь при бурении строго прямолинейных вертикальных скважин и прослоек очень твердых пород в скважинах большого диаметра применение ударно-вращательного бурения гидроударниками рационально.
Другое дело при бурении с продувкой. Энергия потока воздуха, используемого в качестве очистного агента, может эффективно использоваться для создания мощных ударных импульсов в пневмоударных механизмах – пневмоударниках (их устройство и принцип работы рассматривается в практикуме по бурению на ТПИ).
Бурение скважин погружным пневмоударником первым предложил российский инженер А.К.Сидоренко еще в 1938 году. Широкое применение пневмоударного бурения приходится на пятидесятые годы. Однако, в нашей стране при использовании достоинств ударно-вращательного бурения предпочтение отдавали гидроударникам. Ведущие зарубежные фирмы, наоборот, активно развивали пневмоударное бурение, особенно в последние десятилетия с применением компрессоров высокого, до 2,5 МПа, давления.
Практически во всех случаях бурения с продувкой целесообразно и выгодно применять ударно-вращательное бурение пневмоударниками. В слабых и средних породах применение пневмоударного бурения позволяет увеличить скорость бурения от 2 до 4 раз. В крепких породах до Х – ХI категорий, где при продувке не рационально алмазное бурение, применение пневмоударников позволяет использовать коронки с твердосплавными резцами.
В отличие от гидроударного бурения, где ударная мощность создается при сравнительно небольшой скорости потока жидкости за счет концентрации энергии с помощью гидравлического удара, при бурении с продувкой, расход очистного агента (сжатого воздуха или пены) и соответственно скорость потока в десятки раз выше – 20 – 30 м/с. Соответственно кинетическая энергия потока воздуха и без гидроудара получается больше чем гидравлическая энергия с гидроударом.
Проведенные исследования [ ], показали что, более эффективно разрушают породу резцы с притупленным лезвием. При этом эффективность бурения прямо зависит от энергоемкости процесса разрушения породы – чем меньше энергоемкость разрушения породы – q (Дж /см3 ), при данной величине удельной энергии удара – Ауд (Дж/см), тем выше эффективность процесса. С увеличением удельной энергии удара до определенной величины сначала удельная энергоемкость заметно снижается, при дальнейшем увеличении энергии ударов удельная энергоемкость снижается незначительно. Рис 48
Рис. 48
Параметры режима бурения пневмоударниками осевая нагрузка и частота вращения, также как и при ударно-вращательном бурении гидроударниками, мало влияют на результат бурения.
Осевую нагрузку на ПРИ принимают для бурения в твердых абразивных породах 200 – 300 Н, при бурении в родах средней твердости нагрузку можно увеличить до 600 – 800 Н.
Частота вращения также выбирается в пределах 20 – 60 об/мин.
Ударная мощность потока сжатого воздуха складывается из энергии удара и частоты ударов.
Применяемые в геологоразведочном бурении пневмоударники - среднечастотные с частотой ударов i =15 - 30 c-1 , и с мощной энергией удара E = 100 – 300 Дж. Такая энергия получается благодаря высокой скорости потока воздуха при расходе воздуха Q = 6 - 12 м3/мин. Для эффективной работы пневмоударника необходим компрессор, развивающий давление P = 0,6 – 2,5 МПа. Причем, чем выше расход и давление воздуха и, в частности, перепад давления на самом пневмоударнике, тем эффективнее работа пневмоударника и тем больше возможности его использования по глубине скважины. При использовании наиболее распространенных в геологоразведке передвижных компрессорных станций с давлением до 0,8 – 1,0 мПа пневмоударное бурение возможно лишь до глубины 300 – 400 м, а в скважинах с водопроявлениями глубина пневмоударного бурения может ограничиваться 100 – 150 м.
При пневмоударном бурении геологическая информация может получаться не только за счет керна, но за счет полного сбора шламового материала. При бурении с продувкой «сухих» скважин можно собирать практически 100% разбуренной породы. Это позволяет значительно шире использовать бескерновый вариант бурения с использованием долот с плоским торцом, которые неправильно называют «коронки сплошного забоя». – КПС. Такое название неточное, но общепринятое. Еще более качественное геологическое опробование по шламу может быть получено при использовании кольцевых пневмоударников, работающих на двойной колонне труб, когда весь шлам разрушенной породы поднимается по внутренней трубе и полностью собирается на поверхности. Применение кольцевых пневмоударников и компрессоров повышенного давления позволяет значительно увеличить глубину пневмоударного бурения скважин до 1300 – 1500 метров. В настоящее время имеется достаточный выбор компрессоров повышенного давления до 2,5 МПа, как отечественных так и зарубежных.
Основные сложности пневмоударного бурения (как и вообще бурения с продувкой), связаны с водопроявлениями в скважине, При малых водопроявлениях шлам намокает, становится липким и налипает на бурильные и колонковую трубы и на стенки скважины, образуя «сальники», которые могут перекрывать кольцевое пространство скважины и приводить к затяжкам и прихватам снаряда. При больших водопритоках в скважину, может нехвавтить давления компрессора, чтобы продавить водяную пробку. Такие водопроявления можно преодолеть, применяя в качестве очистного агента пену. Использование пены при пневмоударном бурении, кроме предотвращения осложнений не только не снижает показатели пневмоударного бурения, но еще резко повышает возможности и эффективность этого вида бурения, поскольку пена закачивается в скважину дожимным устройством, создающим давление значительно большее, чем может компрессор.
Достоинства и недостатки пневмоударного бурения примерно те же, что и ударно-вращательного бурения гидроударниками – отличие в том, что пневмоударники имея более мощный удар, позволяют повысить скорость бурения в 2 – 4 раза, а гидроударники лишь до 1,5 раза.
Кроме бурения геологоразведочных скважин для разведки ТПИ, пневмоударное бурение успешно применяется при бурении скважин на воду и очень широко применяется (является основным видом) при бурении взрывных и технических скважин, особенно при бурении из подземных горных выработок.