Классификация способов и средств бурения шпуров и технологических скважин

Процесс образования цилиндрических полостей (выработок) в горной породе носит название бурения. Цилиндрическую полость диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м называют шпуром. Цилиндрическую полость диаметром более 75 мм при глубине до 5 м или любого диаметра при глубине более 5 м называют скважиной.

Способы бурения шпуров и скважин можно подразделить на два вида. К первому виду относят механические способы бурения, ко второму — физические способы (огневой, термомеханический, плазменный, электротермический).

При механическом бурении разрушение породы на забое шпура или скважины осуществляют внедрением в породу под действием механических усилий твердых тел — инденторов, при этом кристаллографическая структура разрушенных пород не меняется.

По характеру работы инструмента в забое и приложению силовых нагрузок механическое бурение можно разделить на следующие четыре способа: вращательный, вращательно-ударный, ударно-вращательный и ударный (рис. 1).

Рис. 1. Классификация способов механического бурения.

При вращательном бурении разрушение породы на забое скважины происходит благодаря движению инструмента, имеющего форму резца, по винтовой линии. Такое движение является результатом сочетания вращательного и поступательного движений. Вращательно-поступательное движение инструмента на забое шпура или скважины осуществляется за счет приложения к буровому инструменту значительного крутящего момента (Мкр) и больших усилий (F). Ударные нагрузки при этом отсутствуют.

Бурение долотами шарошечного типа многие исследователи относят к ударному бурению, так как зубья долота, перекатываясь по забою скважины, имеют движение, сходное с движением ударного инструмента.

В горной практике скважины бурят долотами, вращающимися с небольшой частотой (1—1,5 с-1), а следовательно, с малыми скоростями приложения нагрузок (менее 0,6 м/с). При этом порода разрушается в результате статического раздавливания, характерного для вращательного бурения.

При ударном бурении инструмент, заточенный в виде клина, внедряется в породу под действием кратковременного ударного усилия, направленного по оси скважины. При этом осевое статическое усилие, необходимое для того, чтобы инструмент находился в контакте с забоем скважины, отсутствует или очень незначительно. Инструмент после совершения удара отскакивает от забоя и может быть повернут на некоторый угол для нанесения удара по новому месту на забое. Крутящий момент, необходимый для поворота инструмента, имеет незначительную величину.

Если механизм вращения бурового инструмента и ударный механизм совмещены в одном корпусе, то такие машины носят название перфораторов. Механизм вращения приводится в действие благодаря энергии поршня при обратном его ходе. Такой принцип построения бурильной головки реализован в перфораторах с геликоидальной парой. Эти машины относят к классу машин ударно-поворотного действия. Перфораторы, у которых вращение инструмента производится с помощью отдельного двигателя с редуктором, носят название перфораторов с независимым вращением бура.

Ударные механизмы могут следовать в скважину за буровым инструментом. Они называются погружными.

По роду подводимой энергии бурильные машины подразделяют на пневматические, гидравлические и электрические.

Удаление буровой мелочи из шпуров и скважин при бурении производится сжатым воздухом, водой, воздушно-водяной смесью или вакуумом. Поэтому подразделяют бурение с промывкой, продувкой, с воздушно-водяной смесью и бурение с пылеотсосом.

При бурении шпуров (скважин) с продувкой применяют пылеулавливающие устройства. Бурить без пылеулавливания запрещается.

Промывка у перфораторов может быть центральной или боковой. При центральной промывке вода подается к буру через бурильную головку по специальной трубке, а при боковой — в бур через муфту, которая встраивается в переднюю часть бурильной головки.

Некоторые авторы считают, что существует еще ударно-поворотный способ бурения, и относят к нему бурение перфораторами. Однако можно показать, что при бурении перфораторами реализуется ударный способ бурения.

Условимся относить в группу машин, реализующих ударный способ бурения, все машины, у которых ударная забойная мощность составляет 90% и более общей мощности, расходуемой на забое, т. е. у них Ny? 10Nв.

При вращательно-ударном бурении режущая часть коронки внедряется в породу под действием осевого усилия и ударной нагрузки с одновременным вращением инструмента, благодаря чему происходит скалывание породы. Такой вид бурения позволяет подвести к забою наибольшее количество энергии, в силу чего вращательно-ударное бурение отличается высокой производительностью. В машинах вращательно-ударного действия мощность механизма вращения значительно больше мощности механизма ударного. Для такого вида бурения справедливо соотношение Nв>Nу. Вращательно-ударное бурение применяют для пород с f=6…14.

При бурении пород более высокой крепости разрушение происходит преимущественно за счет ударной нагрузки. На вращение инструмента при этом затрачивается меньшая мощность, а осевое усилие приходится уменьшать, так как большое осевое усилие в таких породах не способствует внедрению в них инструмента и вызывает повышенный его износ. Таким образом, в крепких породах целесообразно применять ударно-вращательное и ударное бурение.

При ударно-вращательном бурении буровой инструмент благодаря энергии вращения производит очистку забоя от разрушенных, но не отделившихся от массива частиц породы и разрушение небольшой части породы резанием.

Физические способы разрушения горной породы относятся к новым методам бурения и в настоящее время находятся в процессе исследований, промышленных экспериментов и внедрения отдельных типов машин.

Из электрофизических способов разрушения породы наиболее известны: ультразвуковой, электроимпульсный и высокочастотный.

Огневой (термический) способ бурения получил наибольшее распространение из всех физических способов и применяется для прожигания скважин диаметром до 300 мм и глубиной до 30 м. Разрушение породы происходит за счет термонапряжений, возникающих при нагреве породы высокотемпературными газовыми струями (2000—2500° С), вылетающими из сопел горелки со скоростью до 2000 м/с. Под действием этих напряжений тонкий слой породы растрескивается и под механическим воздействием газовых струй разрушается на мелкие частицы, которые транспортируются из скважины паро-газовой смесью. Наиболее эффективной областью применения являются породы, имеющие кремнистое основание, или породы с низким коэффициентом теплопроводности, которые растрескиваются раньше, чем начинается их плавление.

Ультразвуковой способ бурения основывается на принципе совместного воздействия на горную породу высокочастотных ультразвуковых колебаний, накладываемых на инструмент, и кавитационного эффекта в промывочной жидкости. При ультразвуковом способе горная порода разрушается за счет высокочастотных колебаний, которые создаются магнитострикционным вибратором.

Гидравлический способ бурения основан на действии струй воды (небольшого диаметра — 0,8…1 мм), подаваемой на забой под высоким давлением (до 2000 кгс/см2) и со сверхзвуковой скоростью для разрушения горной породы.

Электроимпульсный способ — в основе способа лежит использование электрогидравлического эффекта, который позволяет превращать энергию электрического разряда в механическую. Электроимпульсный способ бурения осуществляется подачей высокого напряжения на контакты электрической цепи, расположенные на забое скважины, заполненной водой. При этом происходит пробой межэлектродного промежутка с образованием газового канала в месте пробоя. Давление в канале искры в зависимости от параметров разрядного контура достигает 6000— 15 000 кгс/см2. Расположение искрового канала в непосредственной близости от породы приводит к ее разрушению.

При высокочастотном способе разрушения создаются электрические или магнитные поля высокой частоты, под действием которых горная порода нагревается и растрескивается с отделением тонких чешуек, что и может быть использовано для бурения скважин.

Взрывобурение может осуществляться с помощью патронов, жидких или твердых взрывчатых веществ и струйным способом. В первом случае в промывочную жидкость, циркулирующую по опущенным до забоя скважины трубам, с определенной частотой подаются патроны с жидкими или твердыми ВВ, взрывающиеся от удара о забой. Во втором случае по специальным трубкам из емкостей к дозирующим приспособлениям забойного взрывобура поступают жидкие компоненты ВВ (горючее и окислитель), которые затем подаются на забой и с помощью инициатора (сплава калия и натрия) взрываются.

Термомеханическое бурение относится к комбинированному способу разрушения горной породы. Сущность этого способа заключается в том, что с помощью высокотемпературных газовых струй в поверхностном слое забоя скважины создается предвари-тельное напряженное состояние, благодаря которому значительно облегчается последующее разрушение породы механическим воздействием (шарошечным долотом или другим буровым инструментом). Проводимые промышленные испытания станков комбинированного бурения дали увеличение производительности на 30…50% по сравнению с чисто шарошечным бурением.