title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Технология ударно-канатного бурения

Технология ударно-канатного бурения

Перед началом буровых работ разрабатывают конструкцию скважины и составляют геолого-технический наряд (ГТН).
При разработке конструкции скважины учитывается ее целевое назначение, проектная глубина и характер пород геологического разреза. В соответствии с целевым назначением скважины, требованиями опробования полезного ископаемого, габаритами средств откачки выбирают конечный диаметр скважины. После этого устанавливают необходимое для перекрытия тех или иных горизонтов разреза количество обсадных колонн. Если геологический разрез изучен слабо, то число обсадных колонн определяют по средней величине выхода одной колонны из-под башмака другой. Для крепления рыхлых и мягких пород сред Uий выход колонны принимают 30—40 м, при бурении в устойчивых породах со свободным спуском колонны ее выход может составлять 100 м.
Зная глубину скважины L, средний выход колонны l и разницу между диаметрами смежных колонн а, определяют начальный диаметр скважины (мм)

Величину а обычно принимают равной 50 мм.
В соответствии с конструкцией скважины выбирают буровое оборудование, инструмент (долота, желонки и т. д.), обсадные трубы.
ГТН на бурение скважин ударно-канатным способом состоит из геологической и технической частей, В геологической части указываются мощность слоев пород разреза, глубина залегания их кровли и почвы, название пород, категория пород по буримости, проектные статический и динамический уровни воды. В технической части указываются конструкция скважины с обозначением по интервалам диаметра скважины, наружного и внутреннего диаметров обсадных труб, тип долота и желонки, масса снаряда, число ударов снаряда в 1 мин, высота сбрасывания снаряда, проходка за рейс, количество подливаемой на рейс воды.
В верхней части ГТН указываются способ бурения, тип буровой установки, глубина и назначение скважины.
Приемы забуривания скважины выбирают в зависимости от назначения скважины и характера пород.
При забуривании разведочной скважины в мягких породах в точке ее заложения роют шурф размером 0,6х0,6 м и глубиной до 1 м, на дно которого укладывают крестовину из деревянных брусьев с отверстием для прохода направляющей трубы. В устье шурфа для центровки трубы закрепляют два параллельных бруса. Направляющую трубу с башмаком и забивной головкой устанавливают на дно шурфа и, контролируя ее вертикальность, легкими ударами забивают трубу с таким расчетом, чтобы верхний ее конец выступал над устьем не более чем на 0,5 м. Общая длина направляющей трубы может быть равной 2—3 м. После забивания направляющей трубы породу из нее удаляют желонкой с плоским клапаном. В вязких породах следует применять желонку с ножом. Для увеличения массы желонки к верхнему ее концу присоединяют короткую ударную штангу.
Скважину в скальных породах забуривают снарядом, состоящим из долота и ударной штанги.
Производительность работы ударно-канатным способом в значительной степени зависит от правильно подобранных параметров режима бурения: массы ударного снаряда, высоты его подъема над забоем при долблении, частоты ударов и количества подливаемой в скважину воды.
Масса рабочей части снаряда, приходящаяся на 1 см длины лезвия долота, называется относительной массой. Относительную массу q0 (кг/см) при бурении принимают по породам:

По относительной массе определяется необходимая масса рабочей части снаряда (кг)

где D — длина лезвия долота, см.
Необходимая масса (кг) ударной штанги определяется по формулам:
- при работе с раздвижной штангой

- при работе без раздвижной штанги

где q1 — масса долота, кг; q2 — масса ударной штанги, кг; q3 — масса раздвижной штанги, кг; q4 — масса канатного замка, кг.
Высота подъема снаряда над забоем при долбежных операциях определяет эффект разрушения породы и колеблется в зависимости от твердости породы и глубины скважины от 0,4 до 1,2 м.
Частота ударов долота должна подбираться таким образом, чтобы обеспечивалось свободное падение снаряда на забой.
Это возможно тогда, когда время движения оттяжного ролика будет равно времени свободного падения снаряда.
Высота сбрасывания снаряда 5 (м) и частота его ударов в 1 мин по забою находятся в обратной зависимости

где b — ускорение падения снаряда в скважине (b = 5—7 м/с2), зависящее от плотности шлама (чем плотнее шлам, тем меньше b).
При бурении крепких монолитных пород целесообразно увеличивать высоту сбрасывания снаряда, снижая частоту ударов. При бурении же пород сильно трещиноватых или слоистых, перемежающихся по твердости, следует увеличивать частоту ударов, уменьшая высоту сбрасывания снаряда.
На малых глубинах следует бурить с максимальной частотой ударов, а по мере увеличения глубины скважины, в связи с возрастающим растягиванием каната, ее следует уменьшать.
Ударно-канатное бурение, как правило, ведется с подливом в скважину воды. Частицы отделяемой от забоя породы переходят во взвешенное состояние, повышая вязкость и плотность жидкости. При этом растет сопротивление движению снаряда, сила удара долота по забою и производительность бурения уменьшаются. Вместе с тем увеличение вязкости и плотности жидкости в скважине повышает ее способность удерживать крупные и твердые тяжелые частицы разрушенной породы во взвешенном состоянии. Если в скважине нет воды или ее удерживающая способность недостаточна, частицы породы оседают, на забое образуется шламовая подушка, поглощающая энергию удара долота. В результате снижается производительность бурения и повышается износ долота.
Плотность шлама в скважине должна быть тем больше, чем больше объемная масса породы и чем крупнее частицы, отделяемые от забоя.
Высота столба шлама в скважине и его плотность регулируются количеством воды, подливаемой в скважину. При бурении мягких пород рекомендуется на каждый рейс подливать в скважину 35—40 л, а при бурении твердых пород 10—14 л воды.
Эффективность разрушения породы зависит от резкости и четкости удара долота по забою. Это достигается за счет навески снаряда — расстояния от лезвия долота до забоя при нижнем положении неподвижно подвешенного инструмента. Навеска изменяется от 0 до 7 см в зависимости от глубины скважины, эластичности каната и состояния амортизатора установки.
В процессе работы в связи с эластичностью каната и упругостью амортизатора выбирается навеска и долотом наносится удар по забою.
Углубление (долбление) за один рейс составляет в мягких породах 0,5—1 м, в твердых 0,3—0,5 м, в очень твердых 0,2—0,3 м.
Ниже описаны особенности бурения в различных геологических условиях.
Бурение в мягких рыхлых породах (пески, плывуны, лесс, супеси и др.) ведут желонкой с одновременным закреплением стенок скважины обсадными трубами. В зависимости от плотности и устойчивости пород колонна труб продвигается с опережением забоя или следом за ним. Эффективность бурения в некоторых случаях повышается при утяжелении желонки короткой ударной штангой. Наружный диаметр желонки должен быть на 20—30 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб, в которых ведется бурение.
Работая в водоносных и чистых сухих песках, нельзя допускать выхода желонки из-под башмака обсадных труб более чем на 2/3 ее длины во избежание прихвата обвалившейся породой.
Пески-плывуны нужно пересекать одной колонной без остановки. Переход в плывунах с одной обсадной колонны на другую приводит к заклиниванию (спариванию) труб песком, проникшим в межтрубное пространство, в результате чего продвижение второй колонны становится невозможным. Плывуны бурят с наибольшим числом ударов при минимальной высоте подъема желонки над забоем.
Бурение напорных плывунов сопровождается образованием в трубах трудноудаляемой пробки высотой 6—10 м. Углубление при этом прекращается. Возникает опасность прихвата желонки, в связи с чем нельзя ее оставлять на забое без движения. Для создания противодавления образующейся пробке в скважину заливают воду или глинистый раствор. Однако при бурении разведочной скважины добавление глины может отрицательно сказаться на результатах опробования.
Бурение в гравийных и галечниковых породах производят долбежным снарядом с двутавровым долотом и желонкой с плоским клапаном. Связанные глиной гравий и гальку можно бурить желонкой с ножом или буровым стаканом. Стенки скважины в гравелистых и галечниковых отложениях обычно крепят одновременно с углублением скважины, продвигая трубы вслед за забоем. При бурении перемятых галечников или сухих гравелистых песков перед спуском желонки в скважину следует забрасывать комочки жирной глины и подливать воду, что обеспечивает хорошее забирание буримой породы и предупреждает стенки скважины от обрушения в связи с их глинизацией.
Встреченные скважиной мелкие валуны разбивают пирамидальным долотом, а обломки их вдавливаются в стенки скважины, сложенные мягкой породой. Крупные валуны разрушают зарядом ВВ.
Бурение в глинах в связи с их хорошей устойчивостью может производиться без крепления скважины трубами на интервале в несколько десятков метров.
Плотные и сухие глины разрушают двутавровым долотом, а чистят скважину желонкой с плоским клапаном. Перед каждым спуском желонки в скважину подливают два-три ведра воды.
Сильно песчанистые глины проходят буровым стаканом, собранным в снаряд с ударной и раздвижной штангами.
Пластичные вязкие глины можно бурить плоским долотом с наваренными на него дополнительными лопастями. Такое долото, напоминающее крестовое, соединяют с ударной и раздвижной штангами. В скважину подливают воду на высоту 3—5 м и бурят в течение нескольких минут. Вязкий шлам налипает на лопасти долота и вместе с ним извлекается из скважины. Необходимость в применении желонки исключается. Углубление за одно долбление при бурении по глинам колеблется от 0,5 до 1,5 м.
Бурение в плотных твердых породах ведут снарядом с двутавровым или округляющим долотом. Износ долота при работе приводит к сужению скважины. Долото, потерявшее в диаметре более 5 мм, следует сменить. Новым долотом нужно начинать обработку стенок на 2—3 м выше забоя, что предупредит его заклинивание в скважине.
Долбежные операции следует вести, поднимая снаряд над забоем на 1—1,1 м при 45—50 ударах в 1 мин и не допуская слабины каната. После продвижения долота па 0,4—0,8 м скважину очищают желонкой, диаметр которой на 25 мм меньше диаметра долота. В сухую скважину подливают воду из расчета 20—30 л на одно долбление. Для обеспечения необходимой удерживающей способности жидкости, находящейся в скважине, удалять шлам желонкой следует не полностью, а лишь наполовину. После чистки скважины работать нужно с максимальным числом ударов, снижая его по мере накопления шлама. При остановках во время долбежных операций нельзя оставлять снаряд на забое. Во избежание прихвата снаряда частицами осевшей породы его нужно поднять выше шламового столба.
Бурение в трещиноватых породах ведут снарядом с округляющим или крестовым долотом. Работая в трещиноватых породах, нельзя допускать раскачивания снаряда, так как это вызывает вывалы породы со стенок скважины. Продвижение скважины за одно долбление составляет 0,4—0,7 м. На каждый рейс в скважину заливают до 25—30 л воды. Чтобы предупредить уход жидкости по трещинам, в начале рейса в скважину забрасывают жирную глину (10—15 кг на 1 м углубления) и через каждые 1—2 мин бурения малыми порциями (по 2—3 л) подливают воду. В случае сильной трещиноватости пород их бурят с одновременной обсадкой скважины трубами. Очищают скважину от шлама желонкой с плоским или сферическим клапаном.
Бурение скважин при разведке россыпных месторождений ведут с одновременным продвижением колонны обсадных труб. Колонну забивают или задавливают на 0,2—0,5 м. Затем легким снарядом с плоским долотом, заправленным под углом 70—80°, разрушают породу в трубах и поршневой желонкой извлекают ее на поверхность. Чтобы избежать обогащения или разубоживания отбираемой из скважины пробы, в трубах дол жен оставляться предохранительный столбик породы высотой 2—3 см. В сухие скважины перед желонированием заливается вода из расчета 80—100 л на 1 м углубления. Для измерения высоты столбика породы в трубах необходимо точно знать длину колонны труб, а также длину бурового снаряда I каната до верхнего среза колонны труб.
Если твердость породы делает продвижение труб с опережением забоя невозможным, долотом бурят ниже башмака па интервале, равном длине пробы, после чего осаживают трубы и производят желонирование скважины. В мерзлых и плотных породах по разрешению геологического отдела предприятия скважины бурят без крепления трубами.
При достижении плотика нужно углубиться в него на 1—1,5 м, что дает возможность получить наиболее достоверные результаты разведки.
Мощность, затрачиваемая на ударно-канатное бурение определяют (кВт) по формуле

где Q — масса бурового снаряда с учетом массы каната, кг; S — ход инструмента, м; ny — частота ударов в 1 мин.
Масса (кг) бурового снаряда

где р — масса 1 м каната, кг; L — глубина скважины, м.
Мощность (кВт), необходимая для подъема снаряда из скважины

где k1 — коэффициент прихвата (k1 = 1,2—1,3); vп — скорость навивки каната на барабан инструментальной лебедки, м/с; n — к.п.д. передачи (n = 0,75—0,85).
Диаметр инструментального и желоночного канатов подбирается по разрывному усилию (H)

где nз — запас прочности (nз = 12—13); Qр — усилие, растягивающее канат, Н.
По таблицам (например, табл. 12) подбирается канат, разрывное усилие которого не меньше расчетного усилия.
Усилие (H), растягивающее инструментальный канат

где g — ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2).
Масса 1 м инструментального каната р в этом случае принимается ориентировочно в зависимости от диаметра скважины:

Усилие (H), растягивающее желоночный канат,

Пример. Определить мощность, необходимую для привода установки, если масса долбежного снаряда не превышает Q = 1000 кг, а бурение намечено вести с частотой ударов ny = 40 уд/мин при высоте сбрасывания инструмента S—0,8 м
Решение. Пользуясь формулой (61), определяем мощность, расходуемую на бурение,


title-icon Подобные новости