Буровой инструмент для ударно-вращательного метода

16 января 2024

Ударно-вращательное бурение

Бурение с использованием погружных пневмоударных машин.

При вращательном бурении разрушение горных пород происходит путем резания, сдвига, скалывания и раздавливания породы в двух направлениях – осевом при вдавливании резца в породу и в горизонтальном при срезании или скалывании. При этом динамическая прочность материала, как правило, ниже статической и ударное воздействие на породу приводит к ее более интенсивному разрушению.

При вращательном бурении это преимущество динамического воздействия реализовано в конструкции шарошечных долот, оказывающих динамическое воздействие на забой скважины при качении шарошек с твердосплавным вооружением.

При ударно-вращательном бурении разрушение породы происходит в основном за счет ударного воздействия, а вращение инструмента играет вспомогательную роль, обеспечивая равномерное разрушение забоя.

Как правило рабочим механизмом при ударно-вращательном бурении являются погружные пневмоударные машины (пневмоударники), приводимые в действие сжатым воздухом, который также выполняет функцию очистного агента, в связи с чем этот вид бурения называют также пневмаударным.

При бурении интервалов, характеризующихся наличием водопритока, в поток сжатого воздуха добавляют жидкие пенообразователи.

Ударно-вращательное бурение (буровая установка для ударно-вращательно бурения) применяется при сооружении разведочных, технических и эксплуатационных скважин глубиной до 300-400 метров в условиях, ограничивающих возможность использования жидких очистных агентов: в многолетне- и вечномерзлых трещиноватых и разрушенных, водопоглощающих породах VI-XI категорий по буримости.

Работа пневмоударника состоит из циклов, в каждом из которых поршень ударника (2) совершает движения вниз и вверх под действием давления сжатого воздуха.

В начале цикла сжатый воздух через каналы в переходнике (9) и воздухораспределительной гильзе (3) поступает в камеру (6) холостого хода постоянного давления и оттуда в торцевую полость (5) рабочего хода, создавая давление на торцевую часть поршня. При этом ударник перемещается вниз и наносит удар по торцевой части хвостовика долота.

Когда поршень ударника достигает нижней точки хода, переток между камерой холостого хода и торцевой полостью рабочего хода перекрывается, и одновременно открывается канал между воздухораспределительной гильзой (3) и полостью обратного хода (4) ударника. При этом сжатый воздух поступает в полость обратного хода и создает давление, под действием которого ударник перемещается в исходное положение для начала следующего цикла

В конце и в начале каждого цикла происходит выхлоп воздуха на забой скважины через расточку (7) в корпусе (1) и воздуховодные каналы долота.

Благодаря тому, что источником энергии для привода пневмоударных машин служит сжатый воздух, ударновращательное пневмоударное бурение может быть реализовано на любых типах и моделях буровых установок с вращателями подвижного, шпиндельного и роторного типов, без их комплектации энергоемким и тяжелым палубным оборудованием.

Бурение стандартными пневмоударниками выполняется с прямой продувкой, при которой поток сжатого воздуха от компрессора подается к забойной компоновке через нагнетательный рукав, буровой сальник и колонну бурильных труб.

Читайте так же: Обзор и характеристика роторных буровых установок УРБ 3А3, 1БА15 и УРБ-25

Поток сжатого воздуха проходит через пневмоударник, приводя его в действие, далее проходит по воздуховодным каналам на забой, захватывает шлам и выносит его на поверхность по кольцевому зазору между бурильной колонной и стенками скважины

Для привода пневмоударников и очистки скважин от разрушенной породы могут использоваться палубные компрессоры с приводом от трансмиссии буровой установки или любое компрессорное оборудование с автономным приводом, имеющее производительность и рабочее давление, необходимые для конкретных геолого-технических условий бурения.

Для бурения скважин глубиной более 80-100 метров с использованием высокочастотных пневмоударных машин необходимы компрессоры, с производительностью 12 и более кубических метров в минуту, развивающие давление свыше 10 бар. Масса и энергоемкость подобного оборудования исключает возможность его палубного размещения из-за ограничений по грузоподъемности транспортных баз буровых установок и пределов мощности, которую можно отобрать от основного двигателя. В таких случаях используются компрессорные станции с дизельным приводом, транспортируемые на прицепах, санях, или отдельных грузовых автомобилях.

Cкорость ударно-вращательного бурения имеет практически линейную зависимость от забойной мощности пневмоударной машины, определяемой энергией единичного удара, и частотой ударов, которые в свою очередь зависят от расхода воздуха и давления в напорной магистрали компрессора.

Давление воздуха при бурении необходимо поддерживать на одном уровне. Быстрый рост давления в процессе бурения с одновременным прекращением выноса пыли из скважины свидетельствует о нарушении циркуляции воздуха, причиной которого может быть образование шламового сальника в кольцевом зазоре или перемерзание внутреннего пространства в бурильных трубах.

Читайте так же: Колонковая труба и буровой инструмент при колонковом бурении

Профилактической мерой против зашламования кольцевого зазора является периодическое расхаживание забойной компоновки при бурении.

Эффективная очистка забоя скважины от частиц шлама и их вынос на поверхность достигается за счет поддержания расхода воздуха, обеспечивающего поддержание скорости восходящего потока не ниже, чем 15 м/сек., а для выноса частиц шлама крупностью 5-8 мм скорость необходимо увеличивать до 30 м/сек. Ограничение скорости восходящего потока необходимо при бурении в карстовых зонах и в неустойчивых слабосвязных породах, в которых высокая скорость потока воздуха может приводить к выдуванию полостей в стенках скважины.

Скорость восходящего потока воздуха зависит не только от производительности компрессорного оборудования, но также от выбора рационального соотношения диаметров породоразрушающего инструмента и бурильных труб – чем меньше площадь кольцевого зазора между стенками скважины и стенками бурильной трубы, тем выше значение скорости, от конструкции соединений бурильных труб (рекомендуется использовать 38 бурильные трубы, имеющие минимальные перепады между наружными диаметрами соединительных элементов и собственно труб).

Для отбора проб при инженерно-геологических изысканиях и бурения скважин при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых в породах VI-VII категорий по буримости компанией «Геомаш» были разработаны комплекты бурового инструмента пневмоударного колонкового бурения КН-120, КН-140 и КН-160.

В состав комплекта входят коронка КПК (1), переходник с пневмоударника на колонковую трубу (2), двухсторонний переходник (3) с пневмоударника на стандартные бурильную (6) и шламовую (7) трубы, пневмоударник (4) и колонковая труба (5).

Комплект КН предназначен для рейсового колонкового бурения с прямой продувкой на глубину до 70 метров в сухих скважинах.

При пневмоударном бурении с обратной циркуляцией воздуха, в отличие от пневмоударного бурения с прямой продувкой, воздух нагнетается компрессором через специальный кольцевой сальник и по кольцевому зазору двойной бурильной колонны, состоящей из двойных бурильных труб, конструктивно схожих с трубами, применяемыми при бурении с гидротранспортом керна и в кольцевой зазор, образованный внутри погружной пневмоударной машины центральным патрубком и поршнем, снабженным центральным каналом.

Приведя в действие поршень пневмоударника, воздух выходит из забойной компоновки вокруг хвостовика долота, очищает его торцевую часть и вместе со шламом выводится через шламоводные каналы в центральный канал пневмоударника, формируя восходящий поток.

Восходящий поток воздуха выносит на поверхность по центральному каналу пневмоударника, бурильной колонны и сальника.

Из сальника воздух со шламом поступает в циклон, где шлам отделяется от воздуха и ссыпается в емкость для проб

Схема продувки при пневмоударном бурении с обратной циркуляцией. 1 –вращатель; 2 – дефлектор линии сброса; 3- нагнетательный сальник; 4 – шламоводная линия; 5- внутренняя бурильная труба; 6- наружная бурильная труба; 7-кольцевой пневмоударник; 8 – долото.

Зеленое - воздух в нагнетательной линии

Красное - восходящий поток воздуха.

Сжатый воздух поступает в кольцевой зазор между корпусом (6) и внутренней трубой (7) через переходник (8), соединенный с двойной бурильной трубой и через каналы в распределительной гильзе (8) нагнетается в ее верхнюю полость, воздействуя на торец кольцевого поршня. При этом поршень (5) под давлением потока воздуха перемещается вниз и наносит удар по торцевой части хвостовика (2) долота (1), одновременно перекрывая поток воздуха, поступающий в верхнюю полость распределительной гильзы перенаправляя его в полость обратного хода по кольцевому зазору между внутренней трубой (7) и корпусом (6) и создавая в ней давление, достаточное для перемещения поршня в исходное положение.

Одновременно с этим воздух по каналам, сформированным хвостовиком (2) долота и шлицевой втулкой (3), через каналы в теле перидолота, подается на забой и захватывает шлам, перемещая его к шламоприемным окнам в вогнутой центральной части.

Читайте так же: Бурильные трубы и другой инструмент при вращательном бескерновом бурении

При этом часть воздуха, перемещаемого по каналам в теле долота, выводится в центральный канал внутренней трубы (7) для эжекции воздушно-шламовой смеси, образовавшейся на забое

Ударно-вращательное бурение с обратной циркуляцией воздуха применяется в первую очередь при доразведке уже эксплуатируемых участков месторождений полезных ископаемых с целью оопределения границ рудных тел и оценки содержания полезного минерала перед выполнением вскрышных работ.

Отсутствие выноса шлама по кольцевому зазору между стенками скважины и наружной бурильной трубой исключает загрязнение отбираемой пробы шламом из ранее пробуренных интервалов, а непрерывный вынос разрушенной породы в процессе проходки скважины дает возможность выполнять отбор и обработку образцов без приостановки углубки.

Глубина бурения с использованием этой технологии может достигать 300-500 метров при условии использования соответствующего бурового и компрессорного оборудования.

При бурении глубоких скважин, а также при проходке обводненных участков скважины и интервалов неустойчивых пород, для увеличения подъемной силы восходящего потока в нагнетательную линию компрессора рекомендуется впрыскивать воду с пенообразователями.

Пневмоударное бурение с обратной циркуляцией воздуха обеспечивает очень высокую производительность – до 200-300 метров в смену, и способно конкурировать с алмазным колонковым бурением при эксплуатационной разведке на осваиваемых месторождениях полезных ископаемых.

Кольцевые пневмоударники для бурения с обратной циркуляцией имеют высокую энергоемкость и для их эффективного применения требуется мощное компрессорное оборудование.

Например, для бурения скважин до глубины 200-240 метров в сухих породах долотами диаметром 140 мм с использованием пневмоударника MR132 RC производства фирмы Mincon требуется компрессор с производительностью не менее 25 куб.метров в минуту при рабочем давлении 24 бар, а для бурения долотами диаметром 100-114 мм с использованием пневмоударника RH40RC того же производителя производительность компрессора должна составлять 12- куб. метров в минуту при рабочем давлении 20-23 бар

Геомаш
Купите буровую установку и инструмент для бурения скважин