Производство ударно-канатных буровых работ

Подготовительные работы. На месте заложения скважины расчищают и выравнивают площадку для размещения установки и бурового инструмента. Для установок УГБ-3УК и УГБ-4УК размер площадки принимают 10х10 м. Установку накатывают на продольные брусья, уложенные на площадку и наполовину закопанные в землю. Для снятия нагрузки с пневматических скатов под оси подкладывают лежни. Рабочее положение установки строго горизонтальное. Горизонтальность рамы проверяют по уровню.
В точке заложения скважины отрывают шурф глубиной 0,5...1 м. На расстоянии 2...3 м от шурфа устанавливают столб для линии электропередачи. На нем крепят закрытый трехполюсный рубильник, соединенный гибким кабелем с блоком управления электродвигателя установки. От высоковольтной линии электропередачи или от передвижной электростанции к столбу подводят электрический кабель.
Перед подъемом мачты размечают и устанавливают якоря для четырех канатных растяжек. Растяжки прикрепляют к верхней секции мачты.
После установки мачты проверяют все механизмы буровой установки на холостом ходу в течение 3...5 мин. Затем собирают буровой снаряд и соединяют его с канатным замком. К желоночному канату прикрепляют желонку.
Инструментальные ключи, инструмент и приспособления, применяемые при креплении скважин обсадными трубами (забивные снаряды и головки, хомуты и др.), располагают на площадке недалеко от буровой установки так, чтобы они не мешали бурению.
Технология бурения. В шурф до забоя строго вертикально опускают направляющую обсадную трубу длиной 2...3 м с плотно навинченными башмаком и забивной головкой. Затем забивным снарядом ее забивают (удары легкие) в породу забоя так, чтобы верхний конец муфты выступал над поверхностью земли не более чем на 0,5 м. Разрушенную породу из трубы удаляют желонкой с плоским клапаном, предварительно залив в трубу 20...30 л воды. Буровые работы выполняют в следующей последовательности: спуск в забой бурового снаряда; разрушение породы забоя долотом (долбление); подъем бурового снаряда; спуск желонки; очистка скважины от разрушенной породы (желонирование); подъем желонки; крепление скважины обсадными трубами. При бурении рыхлых и малосвязных пород операции спуск и подъем бурового снаряда, долбление отсутствуют.

Бурение начинают с включения фрикционной муфты инструментального барабана и подъема бурового снаряда над забоем (рис. 23, а). Притормаживая барабан, опускают снаряд на забой. В зависимости от твердости разбуриваемых пород регулируют положение снаряда на забое. Затем ослабляют тормоз инструментального барабана и, включив фрикционную муфту ударного механизма, приступают к разрушению породы в забое (рис. 23, б). После углубления долота на 0,5...1 м в мягких и на 0,3...0,5 м в твердых породах буровой снаряд поднимают на поверхность и разработанную скважину очищают от шлама. Для этого на желоночном канате в скважину опускают желонку и свободно сбрасывают ее на забой с высоты 3...5 м. При ударе о забой клапан открывается, и разрушенная порода попадает внутрь желонки. При подъеме желонки клапан закрывается, удерживая породу. Эти операции повторяют 5...8 раз, чтобы желонка заполнилась породой. Затем ее извлекают из скважины и опорожняют. Диаметр желонки должен быть меньше внутреннего диаметра обсадных труб на 100 мм и более.
Эффективность бурения и очистки будет выше, если перед спуском долота в скважину залить 50...100 л воды.
Производительность ударно-канатного бурения в значительной степени зависит от типа применяемого долота и режима бурения.
Массу бурового снаряда выбирают в зависимости от механического состава разрабатываемых пород по относительной массе бурового снаряда, приходящейся на 1 см длины лезвия долота,

где q — относительная масса бурового снаряда, принимают для мягких пород 25...40 кг/см, средней твердости — 40...50, твердых — 50...70, крепких — 70...90 кг/см; D — диаметр долота (диаметр скважины), см.
Фактическая масса бурового снаряда

где q1 — масса долота, кг; q2 — масса ударной штанги, кг; q3 — масса канатного замка, кг; р — масса 1 м инструментального каната, кг; l — длина каната, м.
Если в состав бурового снаряда включена раздвижная штанга, то масса бурового снаряда

где q4 — масса раздвижной штанги, кг.
Используя ударные штанги разного диаметра и разной длины, можно скомплектовать буровой снаряд требуемой массы. Высоту сбрасывания бурового снаряда регулируют перестановкой пальцев кривошипов ударного механизма.
При бурении инструментальный канат должен быть натянут так, чтобы сохранялось оптимальное расстояние между лезвием подвешенного долота и плоскостью забоя скважины. Если рабочая длина каната недостаточна, то ударное долото или слегка касается плоскости забоя (используется только часть энергии удара), или не достигает ее. В последнем случае в момент подхвата бурового снаряда ударным механизмом вся энергия от его падения передается не на забой скважины, а на буровую установку через канат, мачту и ударный механизм. Установка резко сотрясается или выходит из строя из-за поломки узлов и деталей отдельных механизмов. При большой рабочей длине каната наблюдается несогласованность в работе ударного механизма и бурового снаряда. После удара долота о забой натяжение каната ослабевает, и буровой снаряд отклоняется от вертикали, вызывая сильный рывок каната и сотрясение всех механизмов установки. Поэтому при бурении необходимо постоянно регулировать рабочую длину инструментального каната.
Число ударов долота в минуту подбирают так, чтобы обеспечить свободное падение бурового снаряда на забой. При этом время движения оттяжного ролика Должно быть равно времени свободного падения бурового снаряда. Для ударно-канатного бурения обычно принимают 40, 45 и 50 ударов долота в минуту.
При бурении твердых монолитных пород следует увеличивать высоту подъема бурового снаряда над забоем, уменьшая частоту ударов долота, сильнотрещиноватых, слоистых и мягких — повышать частоту ударов, снижая высоту подъема снаряда.
На малых глубинах породы бурят с максимальной частотой ударов долота, а по мере углубления скважины число ударов в минуту уменьшают.
Особенности бурения в различных геологических условиях. Рыхлые породы (пески, плывуны, лесс, супеси и др.), как правило, бурят желонкой с плоским клапаном с одновременным креплением скважин обсадными трубами. В зависимости от плотности и устойчивости пород колонну труб продвигают с опережением забоя или следом за ним. Буровой снаряд должен делать 40...45 ударов в минуту. При очистке скважины желонку следует сбрасывать с высоты 0,6...1 м.
При бурении песков желонка не должна выходить из-под башмака обсадных труб более чем на 0,5...0,75 м во избежание ее прихвата обвалившейся породой.
В плывунах вслед за подъемом желонки в скважину из-под башмака обсадных труб вместе с водой засасывается песок, образуется песчаная пробка. Высота ее может достигать 10 м. В этом случае, чтобы создать противодавление и ликвидировать пробку, в скважину заливают воду или глинистый раствор плотностью 1,15...1,2 г/см3. Во избежание прихвата желонки плывуны бурят быстро, без остановок, по возможности короткими рейсами. Крепят скважины колонной обсадных труб одного диаметра. Нижнюю трубу заглубляют в водоупорный слой, подстилающий плывуны.
При бурении средне- и мелкозернистых песков, песков с примесью гравия, щебня и гальки на забой сначала забивают колонну обсадных труб, а потом желонкой извлекают породу до их башмака.
Плотные и сухие глины обычно бурят без крепления скважины трубами на протяжении нескольких десятков метров (благодаря их хорошей устойчивости). Вначале двутавровым долотом разрушают породу на глубину 0,5...0,75 м. Затем скважину очищают желонкой с плоским клапаном. Перед каждым спуском желонки в забой заливают 20...30 л воды (до появления в скважине грунтовой воды).
Пластичные, вязкие и сильномергелистые глины бурят буровыми стаканами, которые можно укомплектовать ударной или раздвижной штангами.
При сооружении скважин в суглинках в качестве бурового снаряда рекомендуется применять разборную желонку со съемным башмаком. Для облегчения очистки желонки от шлама его отвинчивают.
Галечниковые и гравийные породы рекомендуется бурить двутавровыми долотами и желонками с плоским клапаном и низким башмаком; гравий и гальку, связанные глиной, — желонкой с ножом или буровым стаканом (они одновременно разрушают породу и удаляют ее из забоя). Желонку обычно утяжеляют короткой ударной штангой массой 300...400 кг. Скважину крепят одновременно с углублением, обычно с опережением забоя. Чтобы желонка не расклинилась галькой, наружный диаметр ее следует принимать не более 0,7 внутреннего диаметра труб. Высота сбрасывания ее не должна превышать 1 м. При большей высоте сбрасывания галька может вываливаться через верх желонки и заклинивать ее. Если желонка забирает только мелкую гальку, то в скважину периодически спускают пирамидальное долото. Оно загоняет крупную гальку в стенки скважины, уплотняя их.
При бурении промытых галечников или сухих песков с содержанием гравия в скважину перед спуском желонки забрасывают комочки жирной глины, что обеспечивает хорошую очистку забоя от шлама и предупреждает обрушение стенок скважины. Если скважина сухая, в нее подливают воду, например для песков из расчета 80...110 л на каждый рейс бурового снаряда.
Желонка не должна переполняться породой во избежание прихвата.
Крупные валуны разрушают тяжелыми округляющими долотами. Для увеличения массы бурового снаряда к нему присоединяют вторую ударную штангу.
Мелкие валуны бурят пирамидальными долотами, которые сдвигают их в сторону и загоняют в стенки скважины. Если сдвинуть валун в сторону не удается, бурение продолжают округляющими или крестовыми долотами.
В зоне валунов высота подъема тяжелого бурового снаряда должна быть не менее 1 м, а число ударов в минуту — не более 40. Чтобы предупредить искривление скважины, перед бурением на забой подсыпают крепкую щебенку (диаметром 4...6 см), большие пустоты между валунами засыпают щебнем из твердых пород. Иногда для устойчивости стенок скважины в забой сбрасывают куски жирной глины. Обсадные трубы в скважину опускают сразу же после углубления забоя.
Скважины в валунах можно бурить и с помощью кумулятивных зарядов (взрывов). На время взрыва обсадные трубы приподнимают, чтобы не повредить. Взрывные работы в скважинах ведут только специалисты-подрывники.
Твердые и крепкие монолитные породы бурят буровым снарядом, состоящим из округляющего долота с большим углом заострения и тяжелой ударной и раздвижной штанг. В процессе бурения необходимо следить за тем, чтобы скважина не сужалась и имела округлую форму. Долото, сработавшееся по диаметру на 5 мм и более, заменяют. Чтобы предупредить заклинивание нового долота, обработку стенок скважины нужно начинать на 2...3 м выше забоя.
Для сохранения округлого сечения скважины иногда стенки ее обрабатывают специальными долотами (округляющими или эксцентричными). Можно также обрабатывать суженный участок обычным долотом, предварительно насыпав в забой крепкий щебень.
Высоту подъема бурового снаряда над забоем при бурении твердых и крепких монолитных пород принимают 1...1,1 м, а частоту ударов в минуту — 45...50. Инструментальный канат при этом должен быть натянут, иначе долото будет работать рывками и эффективность удара его по забою снизится.
По мере накопления на забое разрушенной породы скорость сооружения скважины в крепких породах снижается. Поэтому после углубления долота на 0,3...0,5 м забой очищают от шлама желонкой. В сухую скважину для лучшей очистки забоя подливают воду: 20...30 л на одно долбление.
При перерывах в бурении буровой снаряд нельзя оставлять на забое, так как шлам быстро оседает, что может привести к прихвату снаряда. Его необходимо поднимать выше шламового столба.
Трещиноватые и закарстованные породы бурят крестовыми и округляющими долотами. Бурение ведут осторожно, с одновременным креплением скважины обсадными трубами, так как эти породы могут обрушиться. Раскачивание бурового снаряда не допускается. Высота его подъема над забоем должна быть не более 0,5 м, а число ударов в минуту — 50. Скважина за одно долбление должна углубляться на 0,4...0,7 м. Перед каждым рейсом снаряда в забой заливают 25...30 л воды. Воду подливают небольшими порциями через равные промежутки времени (2...3 л через 1...2 мин). Чтобы вода не поглощалась породой, в скважину предварительно сбрасывают кусочки жирной глины: 10...15 кг на 1 м углубления. Очищают скважину от шлама желонкой с плоским или сферическим клапаном.
Бурение в районах многолетней мерзлоты несколько отличается от бурения в обычных условиях. Во избежание прихвата бурового снаряда в скважину необходимо подливать горячую соленую воду: 1 кг соли на 20...30 л воды на 1 м бурения. При подливе большего количества воды буровой снаряд может обледенеть, а ствол скважины — сузиться. Буровой снаряд должен находиться все время в движении, так как даже кратковременная остановка приводит к схватыванию его разрушенной породой и образованию ледяных пробок. После углубления скважины на 0,4...0,5 м в нее опускают желонку для удаления шлама и остывшей воды.
Крепление скважин трубами. Предохраняет стенки скважин от обвалов и изолирует водоносные горизонты от горизонтов, непригодных для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Закрепить скважины можно методами: ходовой колонны и свободного спуска.
Метод ходовой колонны применяют при бурении мягких и неустойчивых пород. Колонну обсадных труб опускают в скважину одновременно с углублением забоя в момент, когда желонка после удара о забой поднимется вверх.
Работы по креплению скважины следует вести непрерывно, так как даже незначительный перерыв вызывает прихват труб породой.
Если обсадная колонна перестает продвигаться вниз под действием собственного веса, ее забивают в скважину забивным снарядом или вибратором. На нижний конец первой трубы навинчивают забивной башмак, а на верхний — забивную головку. Затем в трубу вводят забивной снаряд, соединенный с инструментальным канатом, и, приподнимая и сбрасывая его, забивают обсадную колонну в скважину.
Обычно в начале бурения обсадные трубы идут вниз быстро (1...1,5 см за 3...5 ударов), затем движение их замедляется. Если после 70...80 ударов забивного снаряда трубы опустились всего на 1 см, крепление скважины прекращают и продолжают только после углубления и очистки забоя от шлама. Для определения скорости продвижения обсадной колонны на трубах делают пометки мелом.
Во время забивки труб нужно внимательно следить за резьбовыми соединениями. Чтобы предупредить развинчивание и повреждение, их периодически довинчивают.
В сыпучих породах часто применяют обсадные трубы с гладкими наружными и внутренними стенками. Соединяют их между собой сваркой или соединением «труба в трубу». Колонны из таких труб легче забивать и извлекать из скважины.
Метод свободного спуска применяют при бурении твердых и неустойчивых пород. Крепят скважину в том случае, когда возникает угроза прихвата бурового снаряда, а также для изоляции водоносных горизонтов. Обсадную колонну спускают после углубления скважины на 50...70 м при переходе на другой диаметр. Трубы идут свободно, без принудительной посадки. Башмак каждой трубы врезают в твердую породу, чтобы изолировать вышележащие водоносные горизонты. В плотную глину или тяжелый суглинок башмак должен входить на глубину 3...5 м.
Когда не удается заглубить башмак колонны в надежную для изоляции породу, на забое создают глиняный или цементный тампон. В скважину забрасывают небольшое количество жирной глины и утрамбовывают ее (10...15 ударов) утяжеленной желонкой, в башмак которой забита деревянная пробка. Затем колонну труб приподнимают, вновь забрасывают и трамбуют глину и так до тех пор, пока в забое не будет напрессован слой жирной глины 1,5...1,75 м. Затем трубы забивают в этот слой и продолжают бурение скважины долотом или желонкой меньшего диаметра.
При бурении песчано-глинистых пород, расположенных над водоносным горизонтом, для погружения башмака колонны обсадных труб используют тиксотропную рубашку. Она предотвращает обрушение слабоустойчивых стенок скважины, уменьшает трение и прихват обсадной колонны породой.
Глинистый раствор для тикстропной рубашки готовят тщательным перемешиванием бентонитового порошка (130...140 кг на 1 м3 воды) в глиномешалке. Плотность раствора 1,05 г/см3. При бурении скважины в песках плотность глинистого раствора увеличивают до 1,15...1,2 г/см3.
Последовательность работ по сооружению скважины с применением тиксотропной рубашки следующая (рис. 24). После установки кондуктора на глубину 15...25 м вокруг него выкапывают шурф вместимостью 3...5 м3 с наклонным дном. К шурфу подводят желоб от глиномешалки. Нa расстоянии 0,3...0,4 м от дна шурфа прорезают три-четыре окна. Затем опускают следующую колонну обсадных труб 7 диаметром на 100 мм меньше диаметра трубы 5. На нижнюю часть колонны 7 вместо обычного забивного башмака навинчивают конусный башмак-расширитель (рис. 25). В начале спуска колонны 7 на расширенную часть башмака в кольцевой зазор между кондуктором и второй колонной забрасывают вязкую жирную глину (для образования вокруг башмака глинистого тампона высотой 0,5 м). После установки колонны 7 на забой шурф заполняют тиксотропным глинистым раствором 14. Через окна 13 в кондукторе он поступает в кольцевой зазор между кондуктором и второй колонной.

По мере углубления скважины в мягких породах колонна 7 опускается вниз под действием собственного веса, срезая башмаком кольцевой уступ и расширяя скважину.
При буренки плотных глин обсадные трубы погружают в скважину с помощью забивного снаряда или мощного вибромолота С-835. Однако благодаря тиксотропной рубашке с увеличением длины обсадной колонны 7 ножи конусного башмака срезают (под действием собственного веса) уступ даже в глинистых породах. Лишь периодически по забивной головке, надетой на верхнюю трубу, наносят удары забивным снарядом.
Во избежание кольматации водоносного горизонта тиксотропным глинистым раствором колонну 7 останавливают в водоупорной кровле продуктивного пласта. После этого в скважину опускают фильтровую колонну у с конусным башмаком-расширителем 11 (одновременно с гравийной обсыпкой и углублением скважины желонкой).
Диаметр фильтровой колонны при гравийной обсыпке должен быть на 0,15 м меньше диаметра колонны 7.
При бурении скважины в шурфе 2 и желобе 3 всегда должен быть глинистый раствор.
Извлечение обсадных труб. При ударно-канатном способе бурения почти все колонны обсадных труб в скважине начинаются на поверхности земли. Поэтому после окончания бурения обсадные трубы, ненужные при постоянной эксплуатации, из скважины извлекают.
Легкую обсадную колонну натягивают домкратами и немного расхаживают забивным снарядом. Эти операции повторяют до тех пор, пока колонна не сдвинется с места. Затем лебедкой буровой установки при обычной оснастке ее поднимают на поверхность.
Обсадные трубы можно извлекать также с помощью, например, самоходной вибробуровой установки СВУ-55.
Если извлечь обсадные трубы невозможно, то для увеличения эксплуатационного диаметра скважины верхние свободные участки обсадных колонн вырезают труборезами или отвинчивают. При этом верхний обрез обсадной трубы, оставшейся в скважине, должен находиться выше башмака предыдущей колонны не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при глубине более 50 м. Кольцевой зазор между оставшейся частью колонны и предыдущей колонной обсадных труб должен быть зацементирован либо заделан сальником.