Ударно вращательное бурение


Ударно-вращательное бурение

Ударно-вращательный способ бурения является одним из самых быстрых и эффективных методов проходки скважин на сегодняшний день. Его суть проста: на породоразрушающий инструмент одновременно подаются вращательные и ударные импульсы. Последние генерирует специальный погружной пневмоударный механизм или, проще говоря, пневмоударник.

Современный пневмоударник способен передавать в забой от 1000 до 2000 ударов в минуту. Если нужна большая производительность, можно задействовать гидроударный механизм. Он работает от энергии жидкости и способен генерировать от 1100 до 3500 ударов в минуту. Правда и обслуживать такую систему несколько сложнее.

История развития данного вида бурения в России тянется с начала прошлого века. Ещё в 1905 году инженер по фамилии Вольский впервые опробовал данный метод при бурении скважин на Кавказе. В 1930 году Комаров В. Н. усовершенствовал предложенный Вольским метод и пробурил несколько глубоких скважин на твёрдые ископаемые, залегающие в подземных пластах Урала. Полномасштабные исследовательские и экспериментальные работы по бурению ударно-вращательным методом были проведены в 1937 году советским профессором Эпштейном. С тех пор мощность гидро- и пневмоударников с каждым годом росла, а вместе с ней увеличивалась и скорость прохождения твёрдых слоёв грунта. На сегодняшней день мы имеем технологию, обеспечивающую прирост в скорости в два, а то и два с половиной раза относительно темпа вращательного бурения (при этом сфера применения ударно-вращательного способа бурения остаётся фактически той же). Вместе с тем улучшаются условия труда, что немаловажно для круглогодичного осуществления работ.

Существует большое разнообразие вибрационных, гидравлических и пневматических систем, применяемых при бурении. И каждая из этих систем хороша в своей области. Так, пневмоударник отлично справляется с обустройством взрывных скважин. Полуавтоматические пневмоударные станки позволяют внедрять системы поточной добычи твёрдых ископаемых. Если же предстоит иметь дело с твёрдыми породами 6-12 категории буримости, высокопроизводительные погружные пневмоударники представляются лучшим вариантом из всех возможных. Этот буровой инструмент ощутимо снижает кольматацию водных пластов, позволяя осуществлять их надёжное опломбирование.

Коронка буровая и её особенности

Ударно-вращательный метод бурения накладывает определённые требования на применяемый буровой инструмент и в особенности на буровую коронку. Учитывая тот факт, что разрушение пород выполняется за счёт совокупного действия осевого усилия и непрерывных ударных импульсов, передаче обеих этих сил на забой уделяется особое внимание.

Оптимальной производительности можно достичь лишь при условии, что все рабочие лезвия породоразрушающего инструмента сориентированы в нужном направлении. Их углы должны быть тщательно рассчитаны, чтобы один буровой инструмент мог передавать и вращательную, и ударную нагрузку. К настоящему моменту инженерами было проведено множество исследований в данной области. В ходе них было выявлено, что для горных пород различных категорий буримости подходят различные сочетания статических и динамических сил, подаваемых в разном соотношении. Разумеется, под это соотношение должна быть подобрана и геометрия рабочих лезвий породоразрушающего бурового инструмента. Так, например, если угол сминания породы будет слишком высоким, проходка за счёт осевого усилия может оказаться затруднительной, а инструмент будет быстро истираться.

Буровая установка

Как уже было отмечено выше, первая буровая установка, объединяющая в себе силы вращательного и ударного характера, была спроектирована и построена в Советском Союзе. Машина представляла собой совокупность кулачкового ударного механизма, редуктора и электродвигателя средней мощности. Все эти компоненты были смонтированы на небольшой площадке, способной двигаться назад-вперёд в направляющих салазках. Сами же салазки были закреплены на распорной колонке. Рабочее буровое оборудование являло собой длинную трубу, на которой была закреплена кольцевая воронка, армированная пластинами-резцами. Заострение имело форму клина с передним углом -20° и задним 30°. Несмотря на множественные недоработки, эффективность ударно-вращательного бурения была подтверждена экспериментальным путём. Уже в послевоенный период буровые установки ударно-вращательного типа начали разрабатываться сразу несколькими крупными компаниями ФРГ («Salzgitter», «Nyusse und Grefer» и «HAUSHERR»).

Современная вращательно-ударная буровая установка подчиняется тому же принципу, что и прототип 1934 года. Она состоит из ударного, вращательного и подающего механизмов, смонтированных на установочно-транспортной площадке. При этом управление всеми механизмами буровой установки осуществляется с единственного пульта.

Ударно-вращательные механизмы

В классической буровой установке, предназначенной для ударно-вращательного бурения, смонтировано сразу два механизма для разных типов нагрузок. Как правило, они компонуются в один корпус, но иногда производитель прибегает к раздельному расположению. Но это не единственное отличие ударно-вращательного оборудования от стандартных буровых установок. Ещё одной характерной чертой является наличие погружного пневмоударника, опускающегося в скважину вместе с буровой коронкой.

В отличие от вращательно-подающих установок, прибегающих к пневматике, гидравлике и электричеству, современное ударно-вращательное буровое оборудование совершает полезное действие в основном за счёт пневматической энергии. Как раз это и формирует основное преимущество такой установки, а именно — её способность передавать энергию удара на породоразрушающий инструмент, независимо от скорости его вращения и глубины забуривания в грунт.

Погружной пневмоударник

Данный элемент буровой установки аналогичен по своему устройству и принципу действия обыкновенному перфоратору. При этом он производит проходку без какого-либо встроенного поворотного механизма, вращаясь вместе с буровой колонной. Работают пневмоударники на гидро-воздушной смеси, распределение которой регулируется золотниками и кольцевыми клапанами. При этом весь сбрасываемый пневмоударником отработанный воздух отводится в нижнюю часть разрабатываемой скважины, способствуя очищению забоя от раздробленной породы.

При выборе пневмоударника обращайте внимание на его маркировку. Модели с индексом «П» сконструированы для производства работ на открытой местности. Буровой инструмент с маркировкой «ПП» предназначен для подземных работ.

Штанга и буровое долото

Корпус бурового долота испытывает большие нагрузки. Чтобы он был способен выдерживать их на протяжении длительного периода времени, его отливают из легированной конструкционной стали марки 40ХН. Что касается штанг, на которые монтируется породоразрушающий инструмент, то их также изготавливают из прочной стали марок 35 ГС и 36 Г2С.

Заключение

Как видим, ударно-вращательное бурение — самостоятельный вид производства буровых работ, отличающийся особым методом дробления горных пород. Но, несмотря на все перечисленные в статье преимущества данного метода, он всё ещё нуждается в усовершенствовании. Особенно это касается ситуаций, когда необходимо применять ударно-вращательное бурение в сложных гидрогеологических условиях.

На сегодняшний день накоплено множество материалов по бурению ударно-вращательным методом. Однако полученный за все эти годы опыт очень разнороден и часто не отражает всех нюансов сооружения инженерно-технических и эксплуатационных скважин. В связи с этим выбрать правильное буровое оборудование без инженеров-технологов зачастую бывает сложно.

www.anker-pk.ru

Ударно-вращательное бурение

УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ (а. percussive-rotary drilling; н. Drehschlagbohren; ф. forage rotopercutant, perforation roto-percutante, forage par rotary-percussion; и. perforacion giratoropercusivo, sondeo giratoropercusivo, taladrado giratoropercusivo) — способ бурения, при котором разрушение породы осуществляется путём нанесения ударов по непрерывно вращающемуся породоразрушающему инструменту. Применяется при ведении горных работ для бурения шпуров и скважин глубиной 25-50 м, диаметром от 40 до 850 мм и при поисках и разведке месторождений для бурения скважин глубиной до 2000 м, диаметром 59-151 мм. При горных работах для ударно-вращательного бурения шпуров используют тяжёлые пневматические бурильные молотки на каретках, скважин — поверхностные пневмо- и гидроударные машины; для бурения геологоразведочных скважин — погружные гидро- и пневмоударники. Осевая нагрузка и крутящий момент передаются с поверхности через колонну бурильных труб породоразрушающему инструменту (коронки и долота с лезвийными и штыревыми твердосплавными вставками, шарошечные долота и коронки, армированные сверхтвёрдыми материалами и алмазами).

При ударно-вращательном бурении разрушение породы происходит путём её скалывания и дробления за счёт нанесения ударов по породоразрушающему инструменту. Образующиеся на забое выступы частично срезаются лезвиями породоразрушающего инструмента при поворотах между ударами. Энергия единичного удара главным образом 1-2 Дж на 1 мм длины лезвия (пневматические молотки, пневмоударники) и 0,1-0,15 Дж на 1 мм диаметра коронки (гидроударники), расстояние между насечками от ударов по контуру шпура или скважины от 2 до 8 мм (в зависимости от крепости пород), частота ударов от 1000 до 3000 уд/мин, осевая нагрузка 150-400 Н на 1 см диаметра шпура или скважины.

Различают ударно-поворотное (в т.ч. виброударное) ударно-вращательное бурение и вращательно-ударное бурение и его разновидности (гидроударное бурение). Ударно-поворотное бурение характеризуется высокими значениями энергии единичного удара (2-3 Дж на 1 мм длины лезвия) и малым углом поворота между ударами (2-3°), т.к. разрушение породы (скалывание, дробление) происходит только за счёт ударов при отсутствии контакта инструмента с породой между ударами. Породоразрушающий инструмент представляет собой коронки и долота, армированные пластинчатыми твердосплавными вставками с симметричным углом при вершине (90-110°С) или цилиндрическими со сферической рабочей поверхностью. Способ наиболее эффективен при бурении крепких абразивных пород.

Ударно-вращательное бурение впервые применено в России в 1905-07 инженером В. В. Вольским при бурении скважин на нефть и газ на Кавказе. Для бурения скважин на твёрдые полезные ископаемые ударно-вращательное бурение впервые было использовано в CCCP на Урале в 1930 инженером В. Н. Комаровым. Первые экспериментально-теоретические работы по ударно-вращательному бурению применительно к бурению шпуров и взрывных скважин выполнены в 1934-37 в Днепропетровском горном институте профессором Е. Ф. Эпштейном.

www.mining-enc.ru

Ударное бурение

Одним из первых способов бурения скважин, не считая рытья колодцев с помощью лопаты, можно считать ударный способ бурения.

При ударном бурении разрушение горных пород производится долотом , подвешенным на канате (см. рис.). Буровой инструмент включает также ударную штангу и канатный замок . Он подвешивается на канате , который перекинут через блок, установленный на какой-либо мачте (условно не показана). Возвратно-поступательное движение бурового инструмента обеспечивает буровой станок.

Схема ударного бурения:

1 - долото; 2 - ударная штанга; 3 - канатный замок;

4 - канат; 5 - блок; 6 - буровой станок.

По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы.

Для очистки забоя от разрушенной породы буровой инструмент периодически извлекают из скважины, а в нее опускают желонку, похожую на длинное ведро с клапаном в дне. При погружении желонки в смесь из жидкости (пластовой или наливаемой сверху) и разбуренных частиц породы клапан открывается, и желонка заполняется этой смесью. При подъеме желонки клапан закрывается, и смесь извлекается наверх.

По завершении очистки забоя в скважину вновь опускается буровой инструмент и бурение продолжается.

Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают обсадную трубу, длину которой наращивают по мере углубления забоя.

В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин ударное бурение в нашей стране не применяют.

Вращательное бурение

Следующий, более современный и более распространённый способ, вращательный способ бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.

Остановимся подробнее на видах забойных двигателей.

В качестве забойных двигателей при бурении используют турбобур, электробур и винтовой двигатель, устанавливаемые непосредственно над долотом.

Турбобур (рис. 15) - это многоступенчатая турбина (число ступеней до 350), каждая ступень которой состоит из статора, жестко соединенного с корпусом турбобура, и ротора, укрепленного на валу турбобура. Поток жидкости, стекая с лопаток статора, натекает на лопатки ротора, отдавая часть своей энергии на создание вращательного момента, снова натекает на лопатки статора и т.д. Хотя каждая ступень турбобура развивает относительно небольшой момент, благодаря их большому количеству, суммарная мощность на валу турбобура оказывается достаточной, чтобы бурить самую твердую породу.

Рис. Турбобур:

а - общий вид; б -ступень турбобура; 1 - вал; 2 - корпус; 3 - ротор; 4 - статор.

При турбинном бурении в качестве рабочей используется промывочная жидкость, двигающаяся с поверхности земли по бурильной колонне к турбобуру. С валом турбобура жестко соединено долото. Оно вращается независимо от бурильной колонны.

При бурении с помощью электробура питание электродвигателя осуществляется через кабель, укрепленный внутри бурильных труб. В этом случае вместе с долотом вращается лишь вал электродвигателя, а его корпус и бурильная колонна остаются неподвижными.

Основными элементами винтового двигателя (рис.) являются статор и ротор. Статор изготовлен нанесением специальной резины на внутреннюю поверхность стального корпуса. Внутренняя поверхность статора имеет вид многозаходной винтовой поверхности. А ротор изготовляют из стали в виде многозаходного винта. Количество винтовых линий на одну меньше, чем у статора.

Рис. Винтовой двигатель:

а - общий вид; б - полости, образуемые между ротором (винтом) и статором;

1 - переводник; 2 - корпус двигательной секции; 3 - статор; 4 - ротор;

5 - карданный вал; 6 - корпус шпинделя; 7 - торцовый сальник;

8 - многорядный радиально-упорный подшипник; 9 - радиально-резино-

металлическая опора; 10 - вал шпинделя.

Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Благодаря этому, а также вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей - шлюзов между камерами высокого давления у верхнего конца ротора и пониженного давления у нижнего. Шлюзы перекрывают свободный ток жидкости через двигатель, а самое главное - именно в них давление жидкости создает вращающий момент, передаваемый долоту.

studfiles.net

Бурение скважин и шпуров методами ударного, вращательного и ударно-вращательного бурения

Ударный способ заключается в том, что буровой снаряд массой 1000…3000 кг падает с определенной высоты в забой скважины и разрушает породу вследствие развивающейся при его падении силы удара. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, благодаря чему создаются условия для равномерного разрушения всей площади забоя скважины. Во время бурения в скважину периодически подают воду, и образовавшийся шлам вычерпывают желонкой. Буровой станок, применяемый для ударного бурения, состоит из агрегата на гусеничном ходу, рамы, кабины, мачты с инструментальным и желоночным блоками, механизма свинчивания бурового снаряда, инструментальной и желоночной лебедок. Мачту поднимают и опускают ручной лебедкой. Ударным способом бурят скважины диаметром до 400 мм и глубиной до 200 м (рис. 7.1).

На буровом снаряде закрепляется рабочий инструмент (долота, стаканы или желонки). Сорвавшиеся части бурового снаряда извлекают ловильным инструментом. Принцип ударного бурения скважин используется в станках ударно-канатного бурения. Ударно-канатное бурение эффективно при проходке скважин в мерзлых грунтах, закарстованных породах и в породах с коэффициентом крепости f < 15.

Рис. 7.1.Станки и инструмент ударного бурения:

а) схема станка ударно-канатного бурения: 1 – блок; 2 – опорная мачта;

3 – балансирный ролик; 4 – направляющий ролик; 5 – лебедка; 6 – кривошипно-шатунная передача; 7 – канатный замок; 8 – ударная штанга; 9 – долото;

б) станок ударно-вращательного бурения: 1 – пневмоударник; 2 – обеспыливатель; 3 – буровая штанга; 4 – рукав для воздуха; 5 – электрокабель; 6 – вращатель;

7 – лебедка; 8 – станина; 9 – противовес; в) схема пневмоударника: 1 – путь сжатого воздуха; 2 – цилиндр; 3 – выход воздуха; 4 – воздухораспределительное устройство;

5 – сжатый воздух; 6 – поршень со штоком; 7 – выход сжатого воздуха; 8 – коронка;

г) виды буровых головок: 1 – однодолотчатая; 2 – двухдолотчатая; 3 – крестовая; 4 – звездчатая

Для разрушения породы вращательным бурением применяют буровые наконечники, снабженные специальными коронками: алмазными, из твердых сплавов и др. Буровой наконечник приводится во вращение колонной штанг или труб, по которым на забой подается промывочная жидкость (рис. 7.2).

Основные виды вращательного способа бурения – роторное и шнековое, выполняемые с помощью самоходных установок (преимущественно) или станков. Применяют также электрические сверлильные машины.

Для устройства скважин в рыхлых породах наиболее часто в строительстве применяется роторное вращательное бурение сплошным забоем шарошечными и лопастными долотами (рис. 7.3). Режим роторного бурения определяется осевым давлением на долото, скоростью вращения и количеством подаваемой в скважину промывочной жидкости.

Рис. 7.2. Станки и инструмент вращательного бурения:

а) схема станка шнекового бурения; 1 – резец; 2 – платформа; 3 – лебедка; 4 – направляющая стойка; 5 – штанга с ребортой; 6 – электродвигатель;

б) колонковый снаряд; 1 – кольцевая коронка; 2 – колонковая труба; 3 – переходная муфта; 4 – вращающаяся штанга станка; в) кольцевые коронки армированные;

1 – резцы, армированные твердыми сплавами; 2 – алмазные резцы; г) схема станка роторного бурения; 1 – бурильная труба; 2 – лебедка; 3 – ротор; 4 – вертлюг; 5 – вышка; 6 – рабочая труба; 7 – соединительная труба; 8 – насос; 9 – бак с глиняным раствором; 10 – долото; д) рабочие наконечники; 1 – шарошечное долото; 2 – лопастное уступчатое долото; 3 – лопастное долото «рыбий хвост»

Осевое давление создается утяжелением нижних бурильных труб. Правильно подобранные утяжеленные трубы создают растягивающее усилие во всей колонне бурильных труб и обеспечивают большую жесткость нижней части колонны, что способствует уменьшению отклонений скважины от вертикали. Величина осевого давления должна меняться в процессе бурения в зависимости от характера проходимых пород и других причин. Для наблюдения за осевым давлением используются гидравлические индикаторы веса. Расход воды для промывки скважин при бурении шарошечными долотами составляет примерно 300…350 л/мин.

Рис. 7.3. Схема установки роторного бурения: 1 – долото; 2 – бурильная труба; 3 – соединительная муфта; 4 – стол ротора; 5 – лебедка для подъема талевого блока; 6 – рабочая труба; 7 – вертлюг; 8 – крюк для подвешивания труб; 9 – талевый блок; 10 –шланг; 11 – желоб для возврата воды из скважины в бак; 12 – бак; 13 – напорный трубопровод; 14 – насос с двигателем для подачи в скважину глинистого раствора

Во избежание характерных для роторного бурения искривлений скважин ведут наблюдение за процессом бурения с помощью специального прибора, определяющего угол и азимут искривления. Роторное бурение чаще всего применяют для устройства скважин диаметром до 200 мм и глубиной до 50 м.

Колонковое бурение применяют для проходки скважин диаметром 45...130 мм и глубиной до 200 м. Колонковые станки имеют лебедку подъема трубчатых штанг и механизм для их вращения. На конце штанги находится рабочая часть – колонковый снаряд с кольцевой коронкой, армированной резцами из твердых сплавов или алмазами (рис. 7.4).

При вращении бурового снаряда колонка под действием осевого давления внедряется в породу, образуя кольцевую выработку породы вокруг керна, входящего в колонковую трубу. После проходки на необходимую глубину буровые штанги вместе с колонковым снарядом и керном поднимают лебедкой на поверхность.

Рис. 7.4. Схема установки колонкового бурения: 1 – резец; 2 – колонковая труба; 3 – трубчатая штанга; 4 – переводник; 5 – шпиндель; 6 – рычажное устройство для регулирования нагрузки на забой; 7 – шланг для подачи в скважину глинистого раствора; 8 – верх шланги; 9 – желоб для осаждения промывочного раствора; 10 – насос; 11 – двигатель; 12 – лебедка для подъема оборудования из скважины;

13 – шламовая труба; 14 – керн

В процессе бурения в забой скважины насосом через бурильные трубы подают глинистый раствор (или воду). Смешиваясь с частицами разрушенной породы, глинистый раствор выносит их на поверхность по кольцевому пространству между штангами и стенками скважины. Глинистый раствор охлаждает бурильный инструмент и одновременно предотвращает обрушение стенок скважины.

Шнековое бурение. Разрушение и траспортирование породы производятся шнеком, который составляется из штанг, имеющих приваренные по спирали реборды. Нижний конец шнека имеет специальное долото. Шаг спирали и скорость вращения шнека выбираются в зависимости от свойств породы.

Разрушенная порода будет легко продвигаться вдоль стенок скважины на поверхность, если сила, прижимающая породу к стенкам скважины, превышает силу трения породы о спираль шнека. По этой причине для бурения в липких и вязких глинах в скважину подливают немного воды, чтобы снизить силу трения между грунтом и поверхностью шнека. Плотные грунты следует бурить с меньшим числом оборотов шнека во избежание перегрева бурового наконечника. Вследствие того, что при шнековом бурении разрушение и транспортирование породы идут непрерывно (сплошным потоком), достигается высокая скорость проходки.

Особо эффективен этот способ для бурения скважин диаметром до 250 мм на глубину до 50 м в грунтах II…IV категорий. Бурить скважины большого диаметра шнеками не удается вследствие возникновения чрезвычайно больших сил трения породы о поверхность шнека.

Для бурения неглубоких котлованов диаметром до 1700 мм под фундаменты, столбы и т. п. применяются бурильные машины цикличного действия, снабженные винтовым буром. Разрушение породы происходит при заглублении на высоту бура (1…1,5 захода винта). Грунт извлекается циклично лопастями бура (без вращения). Производительность подобной бурильной машины невысокая из-за цикличности работы и малого объема грунта, извлекаемого за один цикл. Степень влияния этих факторов усиливается с увеличением глубины проходки. Кроме того, конструктивные особенности серийно выпускаемых бурильных машин не позволяют увеличить глубину более 4…5 м.

Для проходки скважин диаметром до 1300 мм на глубину 30 м в неплотных грунтах целесообразно использовать буровые машины, снабженные цилиндрическим буром.

Ударно-вращательное бурение применяют для бурения скважин диаметром 100…200 мм, глубиной до 30 м. При ударно-вращательном бурении породоразрушающий инструмент одновременно с усилиями, характерными для вращательного способа, испытывает динамические нагрузки, которые периодически и с большей частотой воздействуют на буровую коронку, что способствует повышению эффективности разрушения породы и резко уменьшает износ коронки по сравнению с вращательным бурением.

Особенность его состоит в том, что ударное действие и вращение бурового инструмента выполняются двумя независимо работающими механизмами – вращателем и погружным пневмоударником.

Порода удаляется из скважины отработанным в пневмоударнике сжатым воздухом или потоком воды, нагнетаемой в скважину. Ударно-вращательный способ применяется при бурении крепких и трудноразрушаемых пород со значительной трещиноватостью.

К механизмам ударно-вращательного бурения относятся также пневматические бурильные молотки-перфораторы, используемые для бурения шпуров в породах любой крепости.

Предыдущая234567891011121314151617Следующая

Дата добавления: 2015-02-05; просмотров: 6379; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

helpiks.org


Смотрите также