Ударно-забивным
В зависимости от горно-геологических условий вращательное бурение может осуществляться с промывкой, продувкой или с применением газо-жидкостной смеси (ГЖС). В ряде случаев вращательное бурение твердосплавным инструментом осуществляют всухую.
Промывочные растворы могут быть в виде технической воды, воды с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимерного или глинистого раствора.
При бурении по мерзлым породам чаще всего применяют продувку скважин охлаждаемым воздухом.
Вращательный способ бурения может осуществляться по трем основным схемам циркуляции очистного агента:
- прямой (подача агента через бурильную колонну к забою и выход агента со шламом из скважины по затрубному пространству);
- обратной (агент подается в скважину по затрубному пространству или в зазоре двойной колонны бурильных труб, а выходит из скважины по внутреннему каналу бурильной колонны);
- комбинированной (в призабойной части ствола за счет работы насоса или эжекции может быть обратная, а по стволу скважины прямая).
Вращательно-ударное бурение целесообразно использовать в твердых горных породах, поэтому при этом способе бурения применяют техническую воду или воду с добавками ПАВ.
Ударно-вращательное бурение могут осуществлять как с промывкой (бурение гидроударниками), продувкой и применением ГЖС (пневмоударники).
Ударно-канатное бурение осуществляют без циркуляции очистного агента, а ударно-забивной способ бурения осуществляют или всухую или с продувкой, если для нанесения ударов используют пневмоударник.
При выборе способа бурения часто применяют комбинированное бурение, например, забуривают скважину вращательным способом твердосплавной коронкой всухую, затем переходят на бурение шарошечными долотами, а заканчивают скважину бурением алмазными коронками в режиме вращательного или вращательно-ударного бурения.
Правильный выбор способа бурения определяет в конечном итоге успех проводки скважины и производительность буровых работ.
Твердосплавное бурениерекомендуется в породах от I до VII–VIII категорий буримости с различной степенью абразивности и трещиноватости.
В последнее время для бурения мягких горных пород и пород средней твердости применяют буровые коронки с резцами из поликристаллических алмазов PDC (polycrystalline diamonds cutters) или АТП (алмазно-твердосплавные пластины).
Алмазное бурение рекомендуется в породах V – XII категорий по буримости с различной степенью абразивности и трещиноватости. В алмазном бурении различают способы бурения обычным снарядом и снарядом со съемным керноприемником – ССК. Глубина бурения скважин ССК составляет до 1 000 м снарядами ССК-46, до 1 200 м ССК-59 и ССК-76 и до 2 000 м снарядами КССК-76 (усиленный буровой снаряд).
Основные размеры этих снарядов, мм: диаметры коронки наружный и внутренний – 46/24, колонны – 43/33,4; коронки – 59/35,4, колонны 55/45,4; коронки – 76/48, колонны –70/60,4; коронки – 76/40, колонны – 70/61.
Алмазное бурение без керноприемников имеет следующие размеры коронок (наружный/ внутренний, мм): 46/31; 59/42; 76/59; 93/73; 112/92.
В настоящее время в практике буровых работ широко применяют зарубежное оборудование и в частности ССК.
Чаще всего применяют ССК пяти типоразмеров (размеры даны в мм):
- AQ (диаметры коронки наружный и внутренний – 47,6/27,0; диаметры колонны наружный и внутренний – 44,5/34,9; масса 1 метра колонны – 3,8 кг; наружный диаметр расширителя – 48);
- BQ (диаметры коронки наружный и внутренний – 59,6/36,4; диаметры колонны наружный и внутренний – 55,6/49,5; масса 1 метра колонны – 6 кг; наружный диаметр расширителя – 59,9);
- NQ (диаметры коронки наружный и внутренний – 75,3/47,6; диаметры колонны наружный и внутренний – 70/60,3; масса 1 метра колонны 7,8 кг; наружный диаметр расширителя – 75,7);
- HQ (диаметры коронки наружный и внутренний – 96,1/61,1; диаметры колонны наружный и внутренний – 88,9/77,8; масса 1 метра колонны – 11,5 кг; наружный диаметр расширителя – 96,1);
- PQ (диаметры коронки наружный и внутренний – 122/85; диаметры колонны наружный и внутренний – 114/101,6; масса 1 метра колонны – 17,4 кг; наружный диаметр расширителя – 122,6).
Зарубежными компаниями, такими как Atlas Copco (Швеция), Boart Longyear, TUFF (Канада), Diamant Boart (Бельгия), производятся также специальные ССК, в которых используются коронки с утонченными матрицами, что повлекло за собой изготовление и колонковых наборов с иными размерами в сравнении со стандартными колонковыми наборами типоразмера AQ, BQ, NQ. В настоящее время выпускается подобный ССК и типоразмера HQ.
Как показал опыт применения ССК с утонченными матрицами, при высоких частотах вращения колонны (1100–1400 мин-1) достигается повышение механической скорости бурения и снижается интенсивность искривления скважин за счет более низкой осевой нагрузки, что положительно сказывается на устойчивости колонкового набора.
Размеры ССК с утонченной матрицей (GMC, GM) и стандартных CCК (G и GC) приведены в табл. 1.5.
Таблица 1.5
Размеры ССК зарубежных компаний с утонченной и стандартной матрицами коронки
| Параметры | Тип колонкового набора | ||||||
| ADB.G ADB.GC | ADB.GM ADB.GMC | 46DB.GM 46DB.GMC | BDB.G BDB.GC | BDB.GM BDB.GMC | NDB.G NDB.GC | NDB.GM NDB.GMC | |
| Диаметр коронки, мм: наружный/ внутренний | 47,6 27,0 | 47,6 30,3 | 46,1 30,3 | 59,6 36,4 | 59,6 42,0 | 75,3 47,6 | 75,3 57,1 |
| Площадь торца, мм2 | |||||||
| Диаметр бурильных труб, мм: наружный/ внутренний | 44,5 34,9 | 44,5 36,8 | 44,5 36,8 | 55,6 49,5 | 56,3 48,8 | 70,0 60,3 | 73,0 54,3 |
Комплекты ССК с утонченной матрицей коронки рекомендуется использовать в горно-геологических условиях, вызывающих интенсивное искривление скважин, для бурения наиболее твердых горных пород. Ограничения по применению тонкоматричных коронок можно сделать в случае бурения трещиноватых твердых горных пород.
Зарубежными компаниями производятся ССК для бурения не только вертикальных и наклонных скважин, в которых доставка керноприемника к забою происходит под действием силы тяжести, а подъем из скважины лебедкой, но и горизонтальных и восстающих скважин. В случаях проходки горизонтальной и восстающей скважины доставка керноприемника к забою и его транспортирование к устью осуществляется за счет гидравлического давления в скважине. При этом керноприемник играет роль снаряда, который досылается к забою и возвращается обратно при помощи потока промывочной жидкости.
Вращательно-ударное бурение алмазными коронками и шарошечными долотами рекомендуется применять в твердых и крепких горных породах.
Практика гидроударно-алмазного бурения подтверждает чрезвычайно редкие случаи заполирования алмазов, что позволяет рекомендовать вращательно-ударное бурение алмазным инструментом горных пород, склонных вызывать заполирование алмазов.
Наложение высокочастотной вибрации на колонковый набор и бурильную колонну способствует снижению заклинивания керна в колонковой трубе.
Немаловажным обстоятельством, определяющим повышение эффективности бурения при наложении высокочастотной вибрации на буровую компоновку, является снижение коэффициента трения между колонной и стенкой скважины, что приводит к значительному улучшению условий работы деформированной бурильной колонны.
При алмазном вращательно-ударном бурении на забой необходимо подавать пониженное количество промывочной жидкости, соответствующее требованиям бурения алмазным инструментом. В то же время для работы гидроударника требуется значительное количество промывочной жидкости, существенно превышающее допустимое её количество по условию эффективного разрушения породы алмазным инструментом.
Для уменьшения количества поступающей на забой промывочной жидкости в корпусе кернорвателя сверлят отверстия или применяют специальные делители потока промывочной жидкости.
Для осуществления вращательно-ударного бурения применяют высокочастотные гидроударники (энергия ударов до 20 Дж, частота ударов до 2500 уд. в минуту) типа ГВ-5, ГВ-6 и универсальные гидроударные машины типа Г76 и Г59, работающие как в ударном, так и в высокочастотном режимах за счет изменения параметров расхода промывочной жидкости.
Максимальный эффект от применения вращательно-ударного алмазного бурения в различных производственных организациях получен при бурении твердых, хрупких и малоабразивных горных пород, при разрушении которых алмазными коронками наблюдается заполирование алмазов: механическая скорость возрастает на 30–40 %, углубка за рейс увеличивается на 15–25 %, ресурс коронок повышается на 35–50 %, выход керна возрастает с 70 до 80 – 90 %, снижается интенсивность естественного искривления скважин.
Применение вращательно-ударного способа бурения может быть эффективно и при бурении ССК. Снаряд со встроенным съемным гидроударником ССК-59 СГ конструкции СКБ «Союзгеотехника» показал рост механической скорости бурения до 1,6 раза, проходки на коронку – в 1,3 раза, а также сокращение случаев заклинивания керна.
Опыт применения (по данным А. Т. Киселева и В. Г. Кардыша) гидроударных забойных машин при бурении шарошечными долотами показал, что в результате применении высокочастотных гидроударников, вследствие роста удельных контактных напряжений в породе, при бурении горных пород VII–XII категорий по буримости при осевой нагрузке 15–20 кН и частоте вращения 280 – 430 мин-1 средний ресурс двухшарошечных долот диаметром 76 мм возрос с 11 до 19 м, а скорость бурения увеличилась с 3,4 до 4,8 м/ч.
Применение гидроударников при бурении шарошечными долотами позволяет бурить на пониженных осевых нагрузках, но с более высокой механической скоростью, что в результате и сказывается на ресурсе долот.
При бурении шарошечными долотами в режиме вращательно-ударного бурения отмечено, что с повышением частоты вращения бурового инструмента эффективность разрушения породы снижается.
| 6 |
| 2 |
| 7 |
| 4 |
| 1 |
| 5 |
| Рис.1.8. Схема бурения дополнительного ствола клином КПП |
| 3 |
| 8 |
Таким образом, для бурения долотами больших размеров более подходит ударно-вращательный способ бурения, при котором преобладает ударное разрушение горной породы над режимом вращательного бурения.
Бурение шарошечными долотами рекомендуется при детальной разведке месторождений полезных ископаемых как средство повышения эффективности буровых работ без ущерба качеству разведки.
Бескерновое бурение может сопровождаться геофизическими методами исследований для получения необходимой геологической информации о проходимых породах, а также отбором шламовых проб осуществляемых при обратной циркуляции очистного агента с использованием двойных колонн бурильных труб (см. рис.1.1).
Бурение шарошечными долотами отличается от колонкового более низкой себестоимостью и в ряде случаев может применяться в сочетании с повторным перебуриванием рудных тел методами направленного бурения.
Для повторного и многократного перебуривания рудных тел и пластов угля, с целью отбора технологических проб полезного ископаемого, предназначены съемные клинья типа ЛП-2М, КПП-73 и др. Основной особенностью технологии перебуривания рудных зон, является то, что опорой для съемного клина служит бурильная или обсадная колонна 1, опускаемая в скважину перед забуриванием одновременно со съемным клином КПП 2 (рис. 1.8).
Съемный клин КПП-73 (клин повторного перебуривания) состоит из ложка 3, распорного устройства 4 и отбурочного набора 5, соединенного с бурильной колонной 6. Цельнометаллический ложок 3 клина приварен к корпусу, изготовленному из трубы диаметром 73 мм. Угол наклона желоба клина составляет 3 градуса.
Распорное устройство 4 состоит из верхнего и нижнего распорных клиньев, соединенных Т-образной направляющей шпонкой. Верхний клин распорного устройства 4 соединен с ложком 3 с помощью резьбы, а нижний клин распорного устройства 4 имеет внутреннюю резьбу для соединения с замком бурильной трубы 8. Отбурочный снаряд состоит из коронки или долота, соединяемого с корпусом снаряда.
При постановке клина срезаются крепежные штифты распорного устройства 4 и отбурочного набора 5. Верхний клин распорного устройства 4, скользя своей шпонкой по шпоночному пазу нижнего распорного клина, закрепляет снаряд в скважине. При этом бурильная колонна 6 с клином 2 опускаются вниз, в результате чего гайка 7 садится на переходник. Затем, без осевого нагружения клина вращением колонны освобождают отбурочный набор 5 от гайки 7 и забуривают пилот-скважину. В дальнейшем производят бурение короткого дополнительного ствола для отбора пробы полезного ископаемого.
После отбора пробы керна клин поднимают на поверхность с помощью метчика.
В США технология опробования рудной зоны с применением многоствольного бурения нашла эффективное применение в исполнении специалистов компании IDEA Drilling. Для бурения используются станок компании Atlas Copco Cristensen CS 3001 и стационарные клинья, устанавливаемые по 4 в каждой скважине на глубине 670–720 м над рудной зоной. Особенностью бурения является достаточно большой диаметр скважин PQ (~ 121 мм). При разведке месторождения было пробурено 37 скважин с 91 пересечением рудной зоны, что позволило значительно сократить сроки и снизить стоимость буровых работ.
Бурение скважин с непрерывным выносом керна потоком промывочной жидкости (c гидротранспортом керна) осуществляется комплексами технических средств КГК-100 (стальная колонна бурильных труб) и КГК-300 (колонна из сплава Д16Т) и рекомендуется для бурения скважин 100 и 300 м соответственно в породах II – IV категорий по буримости с пропластками пород до VI – VII категорий.
Ударно-вращательное бурениепневмоударниками рекомендуется при проходке скважин глубиной до 100 – 250 м с целью разведки коренных и россыпных месторождений благородных металлов и алмазов, месторождений полиметаллов, источников водоснабжения, в районах распространения многолетнемерзлых горных пород, а также при поглощении промывочной жидкости и при пересечении скважинами горных выработок.
Данный способ бурения в настоящее время все более часто применяется для разведочных работ с отбором шламовых проб в сочетании с алмазным бурением и отбором керна (см. раздел 1.2). Обоснованное сочетание этих способов бурения позволяет существенно снизить затраты на разведочные работы без ущерба для достоверности данных о месторождении и его рудах.
Для осуществления пневмоударного бурения разработаны комплекты специальной техники пневмоударного бурения: РП – для разведки коренных месторождений и КПР – для разведки россыпей и бурения многолетнемерзлых пород.
Компанией Atlas Copco выпускаются очень эффективные бесклапанные пневмоударники высокого давления типа COP 32, COP 42, COP 52, COP 62 для бурения скважин диаметром 85–165 мм. При бурении твердых горных пород в режиме ударно-вращательного бурения достигается механическая скорость 20 и более метров в час при рабочем давлении воздуха 1500–2500 кПа и частоте ударов 1300–2000 ударов в минуту (см. рис. 1.3).
Ударно-вращательное бурение гидроударниками в настоящее время применяется крайне редко, поскольку при этом способе бурения требуется очень значительный расход промывочной жидкости, что значительно повышает себестоимость работ и отрицательно сказывается на сохранности керна.