Спуск инструмента на забой следует производить плавно, без толчков и ударов. Бурение алмазными коронками можно осуществлять при частоте вращения инструмента 700 - 1500 об/мин и более.

При работе на высоких частотах вращения возникают вибрации бурильной колонны, вызывающие интенсивные разрушения и заклинивание керна, повышенный износ алмазов и разрушение коронки. Бурильные трубы при вибрации испытывают большие нагрузки.

Для уменьшения вибрации бурильные трубы снаружи смазывают специальной консистентной смазкой КАВС, содержащей канифоли 25%, нигрола - 70% и олеина - 5%, применяются также эмульсионные растворы. С увеличением крепости, трещиноватости и абразивности пород скорость вращения алмазной коронки уменьшают.

При постановке на забой новой коронки вначале дают небольшую осевую нагрузку (1500 - 2000 Н) и малую частоту вращения; по мере приработки алмазов в течение 10 - 15 мин нагрузку на коронку и частоту вращения ее повышают до нормальных пределов. Осевую нагрузку, чаще всего, доводят до 7000 - 12000 Н. Расхаживание снаряда при алмазном бурении производить не рекомендуется. Бурение ведут не до полного износа коронки, а до снижения скорости бурения примерно до 1 - 2 см/мин, после чего коронку поднимают и заменяют новой.

Скорость восходящего потока между бурильной колонной и стенками скважины должна быть в пределах 0,4 - 0,8 м/сек.

При наполнении колонковой трубы керном буровой инструмент поднимают на поверхность. Керн отделяется от забоя с помощью кернорвателя, устанавливаемого внутри коронки.

Современные алмазные коронки позволяют одной коронкой бурить десятки, а иногда и сотни метров. Но из-за подъема керна углубление скважины ограничивается 1-6 м.

Кернорватели предназначены для срыва керна в конце рейса и удержания его при подъеме инструмента. Рациональной областью их применения являются монолитные и слаботрещиноватые горные породы. Кернорватели используют в одинарных и двойных колонковых наборах с алмазными и твердосплавными коронками.

Кернорватель К-46 (59, 76) используют в одинарных колонковых трубах с алмазной коронкой, состоит из кольца с разрезом и корпуса. В корпусе кернорвателя имеется внутренняя коническая проточка, которая является продолжением конической проточки на внутренней поверхности алмазной коронки. Коническая проточка корпуса заканчивается буртом, в который упирается кольцо в процессе бурения. В качестве корпуса используются алмазный расширитель или корпус без армировки. Ресурс кольца зависит от степени абразивности и трещиноватости породы и составляет 10 - 40 м бурения.

С тонкостенными алмазными коронками типа КАТ, КИТ, АКС, ИКС (ширина торца матрицы 7 мм) используют специальные кернорватели КУ-59 и КУ-59Ц. Их отличие заключается в том, что КУ-59Ц применяется с корпусом кернорвателя, армированного твердым сплавом, а КУ-59 приспособлено для эксплуатации с алмазным расширителем РСА-2, ниже которого располагают дополнительно корпус кернорвателя с внутренними резьбами.

Кернорвательное кольцо для твердосплавных коронок (СКБ «Геотехника») имеет сквозные окна в стенке, снижающие его жесткость; внутренние выступы кольца армированы пластинами твердого сплава. Корпус кернорвателя имеет на наружной поверхности два центрирующих кольца с наплавками релита. В комплект поставки входят корпус и три кольца.

Заклинивание керна выполняется в следующем порядке: после окончания рейса следует подбурить несколько минут керн без осевой нагрузки, но при увеличенном расходе промывочной жидкости; для срыва керна приподнять снаряд на 0,5-1,0 м без вращения; плавно без рывков опустить снаряд снова на забой; если коронка дошла до забоя, то керн сорван и находится в колонковой трубе.

Перед отвинчиванием алмазной коронки следует протолкнуть керн с кольцом в колонковую трубу, чтобы не попортить кольцо при отвинчивании.

Для обеспечения надежного срыва керна необходимо перед спуском снаряда проверить степень износа корпуса, кольца и коронки. В корпусе упорный бурт не должен иметь уступов и завальцовки кромки уступа. Кольцо должно быть упругим, возвращаться в исходное положение после сжатия. Соответствие внутренних диаметров алмазной коронки и кольца проверяется путем перемещения керна отбуренного этой коронкой через кольцо. Кольцо должно плотно обжимать керн и перемещаться по нему с усилием от руки.

4.3 Медленновращательное бурение

При медленновращательном бурении в качестве породоразрушающего инструмента используют ложковые и спиральные буры. Процесс бурения может осуществляться, как установками, специально предназначенными для этой цели (УБР-2М), так и самоходными станками, предназначенными для реализации других способов бурения (УГБ-50М, УГБ-ВК и др.). Диаметр породоразрушающего инструмента выбирают в пределах 89 - 168 мм, реже используют ложковые буры большого диаметра. Бурение ведут при пониженных частотах вращения инструмента (7-80 об/мин). Осевая нагрузка может колебаться в широких пределах (2 - 10 кН). Ее величина обусловлена диаметром бура и проходимыми породами. Нагрузка регулируется используемым на данной буровой установке механизмом подачи. Величину рейса устанавливают в пределах 0,3 - 0,8 м. В некоторых случаях (например, при проходке плотных необводненных пород) при медленновращательном бурении необходимо подливать в небольших количествах воду. Очистка ложковых и спиральных буров, как правило, осуществляется вручную. Бурение спиральными и ложковыми бурами в отличие от других методов вращательного бурения может осуществляться при малых числах оборотов, составляющих 5 - 10 в 1 минуту и поэтому его называют медленновращательным бурением.

Эта особенность обуславливает одно из важнейших преимуществ медленновращательного метода бурения, заключающегося в возможности создания оборудования с небольшой приводной мощностью, при котором может быть получен, путем уменьшения скорости вращения, достаточно высокий крутящий момент.

4.4 Шнековое бурение

Шнековое бурение - вращательное бурение, при котором разрушенная порода доставляется из скважины на поверхность шнеком (бурильной трубой c навитой на ней стальной лентой). Для шнекового бурения применяют буровые установки c подвижным вращателем c повышенным крутящим моментом, имеющие ход подачи в основном 1,8-3,0, иногда до 15 м. Шнеки соединяются между собой посредством резьбы или элементов фигурного сечения. Pазрушение породы на забое при шнековом бурении происходит путём резания и разрыхления горных пород лопастным буровым долотом. При бурении плотных горных пород и гравийно-галечных отложений используются долота, лопасти которых обращены к забою под углом около 90°, в мягких и рыхлых породах - 30-60°.

Шнековое бурение, производительное и экономичное, применяется при бурении разведочных и наблюдательных скважин в породах I-V категорий на глубину до 50-80 м.

Разрушенная порода поднимается с забоя без очистного агента шнековым транспортером. Малоэффективно в вязких глинах.

B процессе бурения режущие элементы долота охлаждаются разрушенной породой. Подъём породы происходит благодаря её скольжению по шнековой спирали, поскольку трение породной массы o поверхность шнека меньше, чем трение o стенки скважины. При нормальном транспортировании разрушенная порода заполняет 0,2 - 0,4 объёма межвиткового пространства. Производительность шнекового транспортёра обычно больше или равна производительности долота, выраженной в объёме разрушенной породы (c учётом её разрыхления в 1,3 - 1,6 раза). Частота вращения шнеков диаметром до 100 мм не менее 150-200 и не более 500 об/мин, при диаметре 150-200 мм - от 80-100 до 150-200 об/мин.

Hаиболее эффективны шнеки c центральным каналом, через который к забою подаются вода или воздух, что снижает коэффициент трения породы o поверхность шнеков и крутящий момент. Пo каналу шнеков доставляются съёмные керноприёмники, забивные и обуривающие грунтоносы, пенетрационные зонды, спускаются в скважину фильтры и взрывчатые вещества. Полые шнеки могут использоваться в качестве обсадной колонны. Центральный канал шнеков при бурении сплошным забоем перекрывают съёмным долотом на канате или бурильных трубах.

Шнековое бурение используется для проходки скважин глубиной до 50 (реже до 100 - 120 м), диаметром от 60 до 600 - 800 мм в мягких и рыхлых породах, a также в породах cpедней твёрдости, при ведении сейсморазведочных, геологоразведочных, взрывных работ, a также инженерно-геологических изысканиях, сооружении гидрогеологических скважин.

Преимуществами шнекового бурения являются высокие скорости (до 100 - 300 м/смену) и простота организации работ.

Перспективы шнекового бурения связаны c созданием специализированного бурового оборудования повышенной мощности, комбинацией этого способа c другими видами бурения (c промывкой и продувкой), c применением съёмных керноприёмников и непрерывным выносом образцов породы.

При инженерных изысканиях шнековое бурение применяется в ограниченных объемах. В ряде изыскательских организаций оно вообще запрещено к использованию. Это обусловлено тем, что шнековое бурение не обеспечивает должного качества описания геологического разреза. Обычно шнековое бурение используется для проходки неглубоких зондировочных скважин (переносные и малогабаритные передвижные мотобуры КМ-10, УКБ-12/25, ПБСМ-15 и др.), реже для бурения сравнительно глубоких разведочных скважин (передвижные и самоходные буровые станки) и гидрогеологических скважин. В первом случае диаметр скважин колеблется от 33 до 108 мм, во втором и третьем - от 108 до 300 мм и более.

При использовании мотобуров и легких передвижных станков бурение скважин, как правило, осуществляется сплошным забоем (поточное и рейсовое бурение).

Поточное бурение обычно ведется спиральными долотами с частотой вращения инструмента 250 об/мин и выше. Величина подачи должна обеспечивать равномерность и непрерывность углубления инструмента. Быстрое погружение шнековой колонны производить не рекомендуется, так как оно может вызвать переполнение шнеков грунтом, прекращение выноса последнего на поверхность и заклинивание шнеков в скважине. Поточное бурение следует применять в неоплывающих и неосыпающихся грунтах, обеспечивающих устойчивость стенок скважины и равномерный вынос разбуренной породы на поверхность (связанные и слабосвязанные супесчаные и суглинистые грунты). Как отмечалось, качественная геологическая документация при поточном бурении затруднена.

Рейсовое бурение применяется при необходимости более детального изучения геологического разреза, в основном в пластичных и тугопластичных грунтах. Величина разового углубления переносными мотобурами при рейсовом бурении составляет 0,2 - 0,6 м, частота вращения шнековой колонны 100 - 300 об/мин, осевая нагрузка 0,3 - 0,8 кН.

Технология шнекового бурения, осуществляемого самоходными буровыми установками, несколько отличается от технологии бурения переносными мотобурами.

При поточном бурении мягких и сыпучих грунтов принудительная подача инструмента на забой не производится, максимальная частота вращения шнековой колонны не должна превышать 300 об/мин. При бурении плотных и твердых пород осевая нагрузка должна доводиться до 8 - 10 кН, а частота вращения снижается до 100 - 150 об/мин. В сильнообводненных породах бурить следует с повышенной частотой вращения; только в этом случае может быть обеспечен подъем выбуренной породы на поверхность.

Оптимальная частота вращения шнековой колонны при бурении сравнительно глубоких скважин 100 - 200 об/мин. Пониженная частота вращения (50 - 70 об/мин) применяется для забуривания скважины, повышенная (до 200 - 300 об/мин) может быть использована при глубине скважины не более 15 м, а также для очистки шнеков в процессе бурения. Осевая нагрузка на забой составляет 5 - 7 кН.

Вязкие глинистые породы проходить поточным способом, как правило, не удается. Поэтому в этих случаях применяется рейсовое бурение. Величина рейса в зависимости от пород может колебаться в широких пределах. Обычно процесс бурения приостанавливают только в том случае, если углубление снаряда прекратилось. При бурении инженерно-геологических скважин длина рейса ограничивается величиной 1 м, реже 1,5 м.

Во многих разновидностях грунтов транспортирование разрушенной породы на витках шнеков затруднено. Подлив воды (в небольших количествах) через устье скважины, а если возможно, через колонну шнеков позволяет повысить скорость бурения и снизить расход мощности. Шнековое бурение кольцевым забоем реализуется при частоте вращения шнековой колонны 40 - 200 об/мин. Величина рейса колеблется в пределах 0,4 - 2 м. При наружном диаметре шнековой колонны, равном 217 мм, может быть обеспечено получение керна диаметром 84 мм.

4.5 Ударно-канатное бурение кольцевым забоем

Ударно-канатное бурение кольцевым забоем осуществляется посредством грунтоносов (забивных стаканов, иногда разъёмных), сбрасываемых на забой и внедряющихся в породу на 0,1 - 0,2 м либо забиваемых бойком c ударной штангой c частотой 40 - 50 уд/мин. Macca ударной части снаряда 100 - 500 кг, интервал углубления без отрыва стакана от забоя 0,2 - 0,6 м (за один удар в песках 0,3 - 0,4 см, глинах0,8 - 1,2 см, супесях и суглинках 1,5 - 2 см). Применяются также установки, в которых для сбрасывания ударного снаряда используется эксцентриковый механизм свободного сброса или лебёдка. Бурение кольцевым забоем используется в мягких и рыхлых породах на глубину до 15 - 30 м инструментом диаметром 73 - 273 мм при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях, поисках и разведке россыпных месторождений, нерудных строительных материалов и других полезных ископаемых.

При ударном бурении двойными концентрическими бурильными трубами их забивают дизельным молотом или другим источником ударных импульсов. Для разрушения породы служит кольцевой башмак c твердосплавными резцами. B кольцевой зазор между наружной и внутренней трубами подаётся сжатый воздух, который поднимается по центральному каналу и транспортирует c забоя разрушенную породу. Этот способ применяется за рубежом для бурения скважин диаметром 140 - 500 мм на глубину 15 - 30, реже до 100 м при разведке россыпей и строительных работах (в осадочных породах c большим содержанием обломочного материала). Энергия удара до 10 - 12 кДж, частота 90 - 100 уд/мин. Cкорость бурения в несколько раз превышает скорость ударно-канатного бурения, достигая 5 - 30 м/ч при углублении 5 - 6 мм за удар.

Ударно-канатное бурение кольцевым забоем является одним из наиболее распространенных способов бурения скважин при инженерных изысканиях.

Технологические приемы этого способа бурения зависят от его разновидности, глубины и начального диаметра скважины, а также свойств проходимых пород. Следует иметь в виду, что ударно-канатное бурение кольцевым забоем может применяться только при проходке скважин в нескальных грунтах I - IV категорий по буримости.

Неглубокие скважины (до 30 м) бурят забивными стаканами диаметром от 89 до 168 мм, реже до 219 мм. При этом могут использоваться буровые установки, не имеющие балансирных или оттяжных устройств, т. е. бурение осуществляется непосредственно с лебедки станка. Для эффективного бурения скважин скорость навивки каната на барабан лебедки должна быть довольно высокой (0,8 - 1,5 м/сек).

Для углубления скважины применяют забивной и клюющий способы, желонирование и бурениесплошным забоем. Забивной способ используют при наличии всех разновидностей связанных нескальных грунтов, клюющий - мягкопластичных и лессовых глинистых пород, желонирование - несвязанных грунтов, бурение сплошным забоем - крупнообломочных и валунно-галечниковых грунтов.

При забивном бурении не следует стремиться к увеличению рейсового углубления. Если стакан забивается на большую глубину, затрудняется его извлечение из скважины и последующая очистка от грунта. В условиях, когда спускоподъемные операции занимают малое время по сравнению с процессом бурения, целесообразно чаще производить подъем снаряда, облегчая и ускоряя тем самым процесс очистки стаканов.

В вязких грунтах рекомендуется использовать разъемные стаканы, в несвязанных грунтах - стаканы с клапаном (с клапанами).

Основными параметрами клюющего способа является сила тяжести бурового снаряда и высота его подъема над забоем. Буровой снаряд при этом способе включает в себя забивной стакан и утяжеленную трубу или штангу, жестко присоединяемую к забивному стакану. Для эффективного бурения необходимо стремиться к возможно большей силе тяжести снаряда, доведя ее до 1,5 - 3 кН. Как известно, клюющий способ состоит в том, что буровой снаряд с некоторой высоты сбрасывается на забой, стакан углубляется в породу на 0,1 - 0,25 м, а затем снаряд поднимается на поверхность для очистки стакана. Величина углубления стакана зависит от энергии единичного удара снаряда. В связи с этим рекомендуется буровой снаряд поднимать на возможно большую высоту (5 - 8 м).

При производстве желонирования число ударов должно быть равно 20 - 30 в 1 мин, а высота подъема желонки 0,15 - 0,2 м и более. Желонки рекомендуется применять с утяжеленными штангами с таким расчетом, чтобы их сила тяжести была равна 0,5 - 1 кН. В процессе желонирования скважину, как правило, закрепляют обсадными трубами. При этом желонка не должна выходить за башмак обсадных труб более чем на 0,5 - 1 м.

При бурении крупнообломочных и валунно-галечных грунтов следует переходить на ударно-канатное бурение сплошным забоем, используя обычный ударно-канатный инструмент (долота, желонки, ударные штанги, канатные замки и т. д.) и технологию бурения.

4.6 Вибрационное бурение

Основными технологическими параметрами, определяющими эффективность вибрационного бурения, являются: момент дебалансов, частота колебаний и сила тяжести ударной части вибромолота. Следует отметить, что в настоящее время для бурения инженерно-геологических скважин применяют в основном беспружинные вибромолоты ВБ-7, ВБ-7М и В-500. В большинстве случаев вибрационным буровым установкам и агрегатам придается вибропогружатель с постоянными параметрами. Исключение составляет частота вращения дебалансов, которая может регулироваться в небольших пределах изменением частоты вращения приводного двигателя.

При вибробурении глинистых грунтов рекомендуется применять вибропогружатель с большим моментом дебалансов и с пониженной частотой, при вибробурении песчаных грунтов хороший эффект дают высокочастотные вибропогружатели. Во всех случаях вибромолоты более эффективны, чем обычные центробежные возбудители (вибраторы).

Вибробурение может осуществляться по двум принципиально различным схемам: с верхним и нижним размещением ударника. Нижнее расположение ударника увеличивает механическую скорость бурения, расширяет область рационального использования вибробурения по глубине скважины (до 25 - 35 м) и по крепости проходимых пород (до IV - V категорий).

4.7 Вибрационно-вращательное бурение

Вибрационно-вращательное бурение при инженерно-геологических изысканиях применяют в комбинации с вибрационным. Оно эффективно при глубине скважины более 15 м, когда механическая скорость чисто вибрационного бурения резко снижается, при проходке насыпных, валунно-галечниковых и мерзлых грунтов, а также твердых прослоев грунта.

Углубление скважины ведется без промывки и без продувки. В качестве инструмента используют зонды обычной или специальной конструкции (с приваренными к ним продольными полосами) диаметром 108, 127, 146 и 168 мм. Принудительное давление на забой не осуществляется. Частота вращения инструмента должна находиться в пределах 40 - 80 об/мин. Длина рейса в зависимости от пород составляет 0,5 - 2 м.

4.8 Бурение погружными пневмопробойниками

Для бурения скважин в грунтах с помощью пневмопробойников могут использоваться любые буровые установки, имеющие средства для спуска и подъема бурового снаряда.

В качестве источника воздуха рекомендуются передвижные компрессоры с подачей воздуха не меньше 6 м?/мин при номинальном давлении не менее 0,6 МПа. Подача воздуха в пневмопробойник можетосуществляться двумя способами: через резиновый шланг и через бурильные трубы. Первый способ рекомендуется при бурении скважин глубиной не более 10 м. При этом способе спускоподъемные операции происходят посредством каната, присоединенного к амортизатору через вертлюжную скобу. При использовании бурильных труб последние должны быть оборудованы вертлюгом-сальником. Процесс углубления скважины пневмопробойниками складывается из чередующихся рейсов. Ответственным моментом в начале бурения является забуривание скважины.

Для облегчения включения пневмопробойника в работу его запуск рекомендуется производить на пониженном давлении. После забивки зонда примерно на 0,5 м пневмопробойник останавливают и производят проверку правильности забуривания скважины. Во всех случаях при забуривании снаряд необходимо поддерживать лебедкой. Оптимальная длина рейса находится в пределах 0,5 - 1,5 м вне зависимости глубины скважины. При большей длине рейса может произойти прихват инструмента на забое. Для увеличения длины рейса целесообразно периодически отрывать снаряд от забоя, приподнимать на некоторую высоту и затем вновь опускать снаряд на забой. Пневмопробойник при этом следует выключать (во избежание выпадения керна).

Если в качестве зондов используются сплошные колонковые трубы (без прорези), извлечение керна может производиться выдавливанием сжатым воздухом, для чего на буровом снаряде должен быть оборудован специальный штуцер, к которому может быть присоединен воздухопроводный шланг.

4.9 Технология бурения шурфов

Общие рекомендации по бурению шурфов состоят в следующем. Процесс углубления шурфа при вращательном бурении состоит из разрушения забоя осуществляемого лезвиями шнекового, ложкового, конусного, тарельчатого или цилиндрического породоразрушающего инструмента, накопления выбуренной породы в емкости бура, подъема его на поверхность, очистки от грунта и последующего спуска на забой.

Частота вращения бура должна составлять 20-60 об/мин. Начальные интервалы шурфа должны проходиться при минимально возможной частоте вращения инструмента и осевой нагрузке, не превышающей 2-2,5 кН. Особенно тщательно необходимо следить за тем, чтобы шурфу было придано строго вертикальное направление.

При бурении шурфов в крупнообломочных, валунно-галечниковых и глинистых грунтах полутвердой и твердой консистенции целесообразно в начале бурить лидер-скважины небольшого диаметра (250-270 мм) с последующим поэтапным расширением (0,4-0,6-0,8 м).

Осевая нагрузка при бурении шурфов вращательным способом может достигать 10 кН. Регулированию осевой нагрузки следует уделять особенно большое внимание, поскольку чрезмерная нагрузка может привести к снижению скорости бурения и к искривлению шурфа. При использовании конусного, ложкового и цилиндрического бура большая величина нагрузки может вызвать увеличение подачи, а это, в свою очередь, затруднит поступление грунта во внутреннюю полость бура.

При использовании буров шнекового типа очищать их от грунта можно быстрым вращением (200-260 об/мин) над закрытым устьем шурфа. При этой скорости грунт под действием центробежных сил разбрасывается вокруг устья шурфа на расстояние 1-1,5 м. Высота подъема бура над поверхностью земли в этом случае должна составлять 0,2-0,5 м.

Сущность ударного способа проходки шурфов состоит в том, что породоразрушающий инструмент специальной конструкции с помощью ударов погружают в грунт и после наполнения его грунтом извлекают на поверхность для очистки. Подъем и спуск инструмента производится на канате с помощью лебедки.

Как и при бурении скважин, различают две разновидности ударно-канатного бурения шурфов: клюющий и забивной.

Сущность клюющего способа состоит в том, что буровой снаряд, включающий породоразрушающий инструмент и жестко связанную с ним утяжеленную штангу, сбрасывается с определенной высоты на забой шурфа, в результате чего породоразрушающий инструмент внедряется в грунт и затем с грунтом извлекается на поверхность. При подъеме инструмента грунт удерживается от выпадения силами трения о внутренние стенки и перемычки породоразрушающего инструмента. После очистки последнего от поднятого грунта снаряд опять сбрасывается на забой шурфа.

При клюющем способе в зависимости от плотности грунта в течение одного рейса снаряд может сбрасываться один или несколько раз. Двукратное и трехкратное сбрасывание может быть рекомендовано в слабовлажных микропористых глинистых грунтах. Оно позволяет увеличить углубление породоразрушающего инструмента за рейс.

Забивной способ (без отрыва инструмента от забоя) состоит в том, что породоразрушающий инструмент углубляется в грунт серией наносимых по нему ударов. Удары наносятся с помощью специального ударного патрона, размещаемого над породоразрушающим инструментом.

При комбинированном способе проходки начальные интервалы шурфа бурятся вращательным способом, а последующие - ударно-канатным. Это дает возможность каждую разновидность бурения использовать с наибольшей эффективностью.

Рациональной областью применения ударно-канатного способа проходки шурфов являются неплотные глинистые грунты. Высокие технико-экономические показатели обеспечиваются в лёссовых и лёссовидных суглинках. В этих грунтах предпочтительным является клюющий способ по сравнению с забивным. Использование ударного способа бурения шурфов в неустойчивых грунтах не рекомендуется.

Ударное бурение шурфов клюющим способом целесообразно применять только при проходке глубоких шурфов (более 10 м). Минимальная глубина шурфа, при которой удается обеспечить эффективное углубление, составляет 4 - 5 м. Поэтому начальные интервалы шурфа следует проходить вращательным или забивным способом. Рациональной высотой сбрасывания инструмента при клюющем бурении является 5 - 6 м. Дальнейшее увеличение высоты сбрасывания к существенному увеличению углубления за удар не приводит. Углубление породоразрушающего инструмента за удар в зависимости от грунтов может изменяться от 0,05 до 0,2 м.

Рекомендуемым диаметром инструмента при проходке шурфов является 0,65 - 0,75 м. Такие шурфы, как правило, проходятся без крепления.

В отдельных случаях возникает необходимость в закреплении шурфов. В большинстве случаев для этой цели различными организациями применяется крепь собственной конструкции. Известны конструкции крепи для шурфов ПНИИИСа и ГорьковТИСИЗа (эластичная подвесная крепь), Теплоэлектропроекта, Уральского ТГУ, Производственного объединения «Геомаш» и др.

В Уральском ТГУ разработана кратковременная раздвижная металлическая крепь КР-2-900. Комплект крепи состоит из кондуктора и секций, соединенных между собою цепными тягами с замками. Соединение позволяет изменять диаметр любой секции крепи, а также обеспечивать подвижность одной секции по отношению к другой. Корпус секции имеет вырез, ширину которого можно изменять от 80 до 300 мм. С внутренней стороны корпус усилен ободами, к которым крепятся два распорных домкрата.

Техническая характеристика крепи КР-2-900

Диаметр закрепляемого шурфа, мм ……………….. 900

Минимальный диаметр крепи, мм ..................... 820

Комплектность для шурфа глубиной 15 м:

кондуктор, шт. ............................................ 1

секции, шт. ……………………………………………………… 10

Число домкратов на одну секцию, шт. ………… 2

Шаг туннельной лестницы, мм ……………………....... 400

Высота секции, мм ……………………………………………. 1125

Зазор между секциями, мм …………………............... 70

Масса кондуктора, кг …………………... 65

Масса секции, кг ……………………………………………… 70

В институте Теплоэлектропроект разработана облегченная (предохранительная) крепь, предназначенная для защиты людей от поверхностных вывалов сравнительно небольших масс грунта со стенок вертикальных горных выработок цилиндрической формы. Крепь можно применять в породах, свойства и состояние которых исключает возможность глубинных деформаций грунта в массиве за время описания разреза и отбора монолитов, т. е. в глинах и суглинках твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции. При наличии внешних факторов, снижающих устойчивость грунта (наличие рядом проходящих железных или автомобильных дорог, производство взрывных работ или высокая сейсмичность района), крепь применять нельзя.

Техническая характеристика предохранительной крепи института Теплоэлектропроект

Диаметр крепи, мм…………………………………. 670

Диаметр выработки, мм .......................... 720

Максимальная глубина закрепляемой выработки, м …… 10

Тип соединения секций ……………………… Стальным канатом и направляющими планками

Способ спуска крепи в выработку ………. После проходки на канате при использовании траверсы и кондуктора

Длина секций, м:

забойной …………………………………………………… 2,2

рабочей…………………………………………………………… 1

Время использования.………………………………… Не более одних суток непрерывного

нахождения человека в выработке

Масса крепи, кг…………………………………………………… 520

Крепь может использоваться многократно. Она представляет собой металлический каркас, обтянутый стальным листом толщиной 2 мм.

4.10 Многозабойное бурение

Вид наклонно-направленного бурения, включающий проходку основного ствола c последующим забуриванием и проходкой в его нижней части дополнительных стволов, пересекающих геологическую структуру.Mногозабойное бурение (рис.7) применяется c целью повышения эффективности буровых работ при разведке и добыче полезных ископаемых, достигаемой за счёт увеличения доли полезной протяжённости стволов скважин.

Наиболее широко многозабойное бурение используется при разведке твёрдых полезных ископаемых. При разработке нефтяных месторождений многозабойное бурение принято называть разветвлённо-горизонтальным бурением. Впервые многозабойное бурение осуществлено в США (1930). Использование забойных двигателей при многозабойном бурении впервые реализовано в CCCP по предложению A. M. Григоряна, B. A. Брагина, K. A. Царевича в 1949 г.Mногозабойное бурение целесообразно в сравнительно устойчивых продуктивных пластах мощностью 20 м и более, например в монолитных или c прослоями глин и сланцев нефтеносных песчаниках, известняках и доломитах, при глубинах 1500-2500 м при отсутствии газовой шапки и аномально высоких пластовых давлений. Mногозабойное бурение сокращает число обычных скважин благодаря увеличению дренированной поверхности продуктивного пласта.

Для проводки многозабойной скважины используется комплекс технических средств и контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающих проводку стволов в заданном направлении. Для искривления стволов применяются специальные снаряды, клинья, укороченные забойные двигатели c отклоняющими приспособлениями. Контроль пространственного положения ствола осуществляется c помощью инклинометра, дающего информацию об азимутальном и зенитном углах оси скважин. Дополнительные стволы имеют на участке набора кривизны резко искривлённые профили. Положение оси ствола в призабойной части может быть почти горизонтальным.

B практике многозабойного бурения применяется две последовательности забуривания дополнительных стволов: «сверху - вниз» и «снизу - вверх». При забуривании «сверху - вниз» буровые работы идут в направлении от изученного объекта к неизвестному. Такой порядок работ позволяет своевременно прекратить бурение, например, в случае выклинивания рудного тела, и наоборот, продолжить бурение ниже проектной глубины, например, в случае неожиданного обнаружения полезного ископаемого. Поэтому забуривание «сверху - вниз» применяется при поисках и разведке месторождений, имеющих сложное строение зон залегания полезных ископаемых: переменную мощность, крутое падение пласта, значительную протяжённость по глубине, неравномерное содержание полезных ископаемых.

Рис. 7. Схема многозабойного бурения

Последовательность проходки дополнительных стволов «снизу - вверх» наиболее целесообразно использовать при проведении буровых работ по сгущению разведочной сети, например при работах по уточнению категорийности запасов полезных ископаемых.

Mногозабойное бурение при разведке твёрдых полезных ископаемых обеспечивает получение максимальной и наиболее точной информации при минимальной её стоимости на 1 м проходки скважины. Экономия при этом образуется в основном за счёт сокращения затрат времени и средств, связанных c проходкой и креплением верхней части ствола скважины, монтажно-демонтажными работами при перемещении буровой установки (станка) на новое место бурения.

Вскрытие нефтяных пластов многозабойными скважинами позволяет увеличить дебиты нефтяных скважин за счёт увеличения поверхности фильтрации; увеличить нефтеотдачу пласта; ввести в промышленную разработку малодебитные месторождения c низкой проницаемостью коллектора или высоковязкой нефтью; повысить приёмистость нагнетательных скважин, повысить точность проводки противофонтанных скважин за счёт перебуривания только нижних её интервалов в случае непопадания первым стволом.B нефтедобывающих районах Pоссии эксплуатируются скважины c 5 - 10 ответвляющимися стволами длиной по 150-300 м каждый. Благодаря этому приток нефти на первом этапе эксплуатации в несколько раз больше, чем из обычных скважин.

BPоссии c помощью многозабойного бурения успешно проведены десятки скважин на нефть, разрабатывается и испытывается многозабойное бурение глубоких горизонтальных скважин большой протяжённости (несколько км).

4.11 Способы и технические средства погружения и извлечения обсадных труб

При бурении инженерно-геологических и гидрогеологических скважин в рыхлых и мягких породах производится искусственное закрепление стенок скважин, предохраняющее их от обрушения. Наиболее надежным и широко применяемым способом является закрепление стенок скважин с помощью обсадных труб. Для крепления стенок скважин применяют обсадные трубы ниппельного и муфтового соединения. Длина труб изменяется от 1,5 до 9 м. Более длинные трубы не используются.

В зависимости от условий и имеющегося оборудования применяют следующие способы погружения обсадных труб: а) свободный спуск под действием собственной силы тяжести; б) проворот обсадной колонны вручную; в) поворот колонны с помощью вращателей буровых станков; г) прерывно-вращательное движение колонны с помощью механизмов расходки; д) задавливание с помощью механизмов подачи; е) забивку с помощью ударной бабы; ж) погружение с помощью гидроударников, пневмоударников, дизель-молотов, вибровозбудителей и вибромолотов.

Процесс закрепления стенок обсадными трубами может осуществляться:

1) После бурения определенного интервала либо всей скважины;

2) С одновременным либо опережающим забой погружением труб непосредственно в процессе бурения скважин.

В первом случае скважина бурится породоразрушающим инструментом с наружным диаметром, большим наружного диаметра обсадных труб, поэтому при наличии достаточно устойчивых пород спуск обсадной колонны может производиться под действием только силы тяжести обсадных труб. Однако при наличии неустойчивых пород и в этом случае нередко возникает необходимость использования принудительных способов погружения труб. Во втором случае скважина бурится инструментом с наружным диаметром, меньшим наружного диаметра обсадных труб (бурение производится внутри обсадных труб), поэтому для погружения обсадных труб, как правило, требуется применять принудительные способы. При опережающем погружении труб принудительные способы являются обязательными.

Диаметр интервала скважины, который предполагается закреплять обсадными трубами, как правило, соответствует наружному диаметру обсадных труб. В особо сложных геологических условиях с целью облегчения спуска обсадной колонны соответствующие интервалы скважины нередко проходят инструментом, имеющим наружный диаметр на один размер больший диаметра обсадных труб. Процесс бурения скважины и закрепление ее стенок обсадными трубами обычно производится в соответствии с заранее разработанной конструкцией скважины и технологической картой ее бурения.

Перед погружением нижняя часть обсадных труб оборудуется башмаком. При забивном способе погружения верхняя часть колонны оборудуется забивной головкой. Для забивки труб применяют специальные ударные снаряды. Перед началом спуска обсадные трубы тщательно замеряют с соответствующими записями в буровом журнале.

Процесс погружения обсадных труб на заданную глубину ведется непрерывно во избежание прихвата труб в скважине.

Если скважина имеет двухколонную, трехколонную или четырехколонную конструкцию, нижний конец предыдущей колонны погружается до суглинков или глин. Нижний конец предыдущей колонны в песках обычно не оставляют с целью предотвращения расклинки двух обсадных колонн между собою.

При погружении труб методом вращения частота вращения соответствует 10 - 12 об/мин. К числу эффективных способов погружения обсадных труб относится метод расходки, состоящий в том, что колонне сообщается возвратно-вращательное или прерывно-вращательное движение. При этом методе погружение производится под действием собственной силы тяжести. Расхаживание позволяет существенно уменьшить вертикальную составляющую силы трения, препятствующую погружению труб.

При погружении методом расходки нередко возникает необходимость в периодической выемке пород из внутренней полости труб. Для выемки породы применяется желонирование. Угол расходки труб колеблется от 15 до 30°, частота расходки - от 10 до 60 кол/мин. Собственно процесс расходки осуществляется специальными механизмами расходки с помощью предназначенных для этой цели ключей либо других устройств.

После окончания бурения скважины и выполнения всех запланированных в ней работ следует производить извлечение обсадных труб. В отдельных случаях необходимость извлечения труб может возникнуть и в процессе бурения скважины (при ликвидации аварий, при разбуривании скважины до большего диаметра и т. д.).

Используют следующие способы извлечения труб:

1) Извлечение с помощью лебедок и грузоподъемных устройств, которыми оснащены буровые станки (например, механизмы подачи);

2) Извлечение лебедками с применением талевой системы;

3) Извлечение лебедками с применением вибровозбудителей;

4) Использование винтовых и гидравлических домкратов;

5) Применение различных комбинированных способов (нанесение ударов как снизу вверх, так и сверху вниз, «раскачивание» труб и т. д.);

6) Извлечение различными грузоподъемными устройствами с предварительным взрывом детонирующего шнура внутри колонны;

7) Извлечение так называемым гидравлическим способом;

8) Использование различных приемов и способов, снижающих трение труб о грунт.

Величина статического усилия, необходимого для извлечения колонны обсадных труб, зависит от:

1) Длины колонны;

2) Величины интервала колонны, непосредственно соприкасающейся со стенками скважины;

3) Диаметра колонны;

4) Типа колонны (муфтового или ниппельного соединения);

5) Физико-механических свойств пород;

6) Длительности нахождении колонны в скважине;

7) Способа, каким трубы погружались в скважину;

8) Способа бурения, каким скважина проходилась перед погружением труб;

9) Дебита скважины (при откачках).

Величины усилий, необходимые для извлечения обсадных труб из скважин, достаточно велики и могут достигать 1 - 10 МН. Предельное усилие резко возрастает с глубиной погружения труб.

При использовании для извлечения труб технических средств большой грузоподъемной силы необходимо учитывать возможность обрыва колонны. Предел прочности материала труб накладывает определенные ограничения на выбор грузоподъемных средств. При ниппельном соединении неизношенных колонн диаметром 127 мм усилие, достаточное для обрыва, составляет порядка 1,7 мН. Угрозу обрыва можно уменьшить, применив так называемую двойную тягу. В этом случае на бурильных трубах большого диаметра внутрь колонны к башмаку опускают труболовку и затем домкратами одновременно поднимают бурильные и осадные трубы.

При «страгивании» колонны с места ударами, наносимыми сверху, операции производятся в следующем порядке. Первоначально с помощью лебедки и полиспастной системы трубам дается натяжка вверх, затем по трубам сверху наносится серия ударов ударным снарядом. Обычно при этом колонна медленно (по 0,5 - 1 см) начинает подниматься вверх. Если операции натяга и нанесения ударов совместить не удается, можно первоначально по колонне нанести серию ударов и затем попытаться извлекать ее.

Проворот труб с помощью хомута можно применять, если трубы погружены в супеси, суглинки и их длина не превышает 15 - 20 м.

Нанесение ударов по колонне и взрыв детонирующего шнура целесообразно применять во всех случаях, если колонна длительное время находилась в грунте и ее длина превышает 50 м.

4.12 Особенности бурения на акваториях

Бурение скважин производится с плавучих буровых установок (ПБУ), со стационарных оснований, а в отдельных случаях - непосредственно со дна. В районах с устойчивым ледовым режимом скважины бурят с поверхности льда.

Наиболее широко применяются плавучие буровые установки - буровые понтоны водоизмещением 100 - 500 кН. Бурение с ПБУ имеет следующие особенности: на процесс бурения большое влияние оказывают гидрометеорологические факторы, использование специальных оснований для бурения, необходимость тщательного крепления (стабилизации) ПБУ над скважиной, ограниченные размеры производственной площади, применение специализированных транспортных средств для передвижения ПБУ, доставки людей и грузов. Активная коррозия металла (скорость коррозии в морской воде 0,2-0,4 мм/год); повышенные физические и нервно-эмоциональные нагрузки на работников буровых бригад. Стационарные основания применяют в тех случаях, когда из-за малых глубин использование ПБУ практически невозможно, а также при незначительных объемах буровых работ. Наиболее сложным является бурение в шельфовой зоне морей. При инженерно-геологических изысканиях скважины обычно бурят в верхней части шельфа - до глубин моря 30 - 50 м. В этой зоне на процесс бурения воздействует наибольшее число неблагоприятных гидрометеорологических факторов.



Глава 5. Буровое оборудование

5.1 Основные сведения о буровых установках

В современных условиях проведения буровых работ принято различать понятия «буровой станок», «буровой агрегат» и «буровая установка». Под буровым станком понимают собственно машину, предназначенную для бурения скважин, осуществляющую вращение породоразрушающего инструмента, спуск и подъем снаряда в скважину и другие функции. Буровой насос и приводной двигатель в понятие «буровой станок» не входят.

Буровой агрегат - это комплекс основных машин и механизмов, необходимых для бурения скважины. Сюда относятся: собственно буровой станок, приводной двигатель с пусковым устройством, трансмиссия, промывочный насос с приводом, электрогенератор.

Под буровой установкой понимают комплекс наземных сооружений, бурового и энергетического оборудования, необходимый для бурения скважины. В состав комплекса входят: буровой агрегат, вышка (мачта), буровое здание (укрытие), передвижная электростанция и пр.

Буровые установки должны соответствовать климатическим, геологическим и дорожным условиям, а также конструкциям скважины и целям бурения (на твердые полезные ископаемые, на нефть и газ, на воду, выполнение геофизических исследований и др.).

По транспортабельности буровые установки делят на:

-стационарные (не имеют собственной транспортной базы, перемещаются блоками с использованием универсальных транспортных средств);

- самоходные (смонтированы на базе автомашин, тракторов и др.);

- передвижные (смонтированы на собственной транспортной базе и перемещаются буксировкой);

- переносные (легко разбираются на узлы малой массы, транспортируются вручную или вьюками; предназначены для бурения неглубоких скважин в труднодоступных районах).

В связи с этими многообразными условиями бурения было разработано три параметрических (размерных) ряда:

Установки и станки для бурения на твердые полезные ископаемые (ГОСТ 29233-91) (типа УКБ и СКВ).

Установки для бурения гидрогеологических скважин (ГОСТ 28802-90) (типа УГБ).

Установки для бурения геофизических и структурно-поисковых скважин (ГОСТ 16151-82) (типа УРБ).

В настоящее время, в условиях рыночной экономики и организаций с малым количеством буровой техники, такое деление во многом потеряло смысл. Установки УРБ и УКБ успешно используются для бурения гидрогеологических скважин, а установки УРБ для бурения скважины на твердые полезные ископаемые.

Буровой станок состоит из:

- вращателя (для передачи крутящего момента породоразрушающему инструменту);

- механизма подачи (для поддержания заданной осевой нагрузки на забой);

- коробки перемены передач;

- лебедки и других устройств.

Вращатели бывают:

- шпиндельными (верхняя бурильная труба закрепляется в зажимном патроне шпинделя, который передает вращение бурильной колонне);

- роторные (ведущая труба бурильной колонны и отверстие вращающегося стола ротора имеют граненные поверхности, благодаря чему обеспечивается вращение и осевое перемещение ведущей трубы);

- подвижные (вращатель с помощью специальных устройств - например, гидравлическая система - перемещается по направляющим мачты установки).

Механизмы подачи делят на пять основных типов:

- реечно-шестеренчатый;

- поршневой с гидравлическим приводом;

- винтовой;

- цепной или канатный;

- рычажно-шарнирный.

Коробка передач служит для ступенчатого изменения частоты вращения бурового снаряда и барабана лебедки, которая служит для спускоподъемных операций с буровым снарядом, обсадными трубами и другими вспомогательными инструментами.

В то же время целесообразно в качестве основного критерия классификации буровых установок (агрегатов, станков) принять тип вращателя. Для каждого вращателя существуют свои характерные типы механизмов подачи и способы передачи мощности исполнительным органам, что и определяет их конструктивные отличия.

Кроме того, отечественные буровые установки могут быть разделены на следующие основные типы:

* Установки со шпиндельным вращателем.

* Высокооборотные низкомоментные буровые установки с подвижным вращателем с частотой вращения до 1500 - 3000 об/мин.

* Низкооборотные высокомоментные буровые установки с подвижным вращателем с частотой вращения менее 600 об/мин.

*Среднеоборотные высокомоментные буровые установки с подвижным вращателем с частотой вращения 600 - 1200 об/мин и крутящим моментом более 200 - 300 даН м.

Буровые установки каждого типа имеют характерную конструктивную схему и параметры технических характеристик, определяющие их технологические возможности и области использования.

В настоящее время (на 01.01.1997 г.) наиболее распространены установки шпиндельного типа, удельный вес которых в буровом парке МПР РФ достигает 40% и роторные - 33%. Установки с подвижным вращателем составляют 27%, хотя следует отметить, что в разработке и на стадии подготовки к производству находится большое количество установок этого типа.

Для оценки тенденций развития бурового машиностроения целесообразно рассмотреть, как изменилось распределение буровых установок по типу вращателя за последние 10 лет. Так, на 01.01.1986 г. количество шпиндельных станков составляло 76%, роторных-18% и с подвижным вращателем - 6%.

Из приведенных данных видно, что доля шпиндельных станков существенно сократилась, а число установок с подвижным вращателем и роторных существенно возросло.

Особенно высокий рост буровых установок с подвижным вращателем (21%) объясняется технологическими и эксплуатационными преимуществами этих установок, которые применяются как при колонковом, так и при бескерновом бурении.

Развитие буровой техники для проходки инженерно-геологических скважин происходит за счет использования навесных агрегатов и приспособлений к гидрофицированным установкам, а также повышения их максимального крутящего момента и грузоподъемности для обеспечения возможности бурения полыми шнеками со съемным керноприемником.

Тенденции развития бурового оборудования для проходки гидрогеологических скважин тесно связаны с постоянно растущими потребностями в подземных водах различного назначения. Наиболее перспективной технологией бурения на воду является проходка скважин с использованием двойной концентрической колонны бурильных труб с выносом осколочных фракций горных пород по центральному каналу внутренней трубы

5.2 Обобщенная схема выбора оборудования при бурении скважины

Выбор бурового оборудования для бурения скважины является многофакторной задачей, решение которой в значительной мере способствует успешному проведению скважин и их целевому назначению.

Вращатель бурового станка - основной рабочий механизм, выполняющий при бурении основные технологические операции. Выбор его зависит от способа бурения, типа бурового снаряда и особенностей геологического разреза скважины.

Шпиндельный вращатель находит наибольшее применение в установках для алмазного бурения скважин малого диаметра, в геологических разрезах, представленных твердыми и средней твердости горными породами.

Преимущества шпиндельного вращателя - компактность и простота конструктивной увязки шпинделя с механизмом подачи и, как следствие этого, возможность бурения скважины под различными углами к горизонту.

Технологические возможности шпиндельного вращателя полностью удовлетворяют требованиям колонкового бурения в твердых породах: наращивание бурильных колонн без отрыва снаряда от забоя повышает ресурс алмазных коронок и увеличивает выход керна; незначительные затраты рабочего времени на перекрепление патронов и наращивание снаряда увеличивает скорость бурения.

Основной недостаток шпиндельного вращателя - небольшая длина хода подачи (0,5-0,6 м). Необходимость частых перекреплений патронов при бурении мягких горных пород существенно снижает скорость бурения и уменьшает процент выхода керна.

Роторный вращатель нашел широкое применение в самоходных и передвижных буровых установках, используемых при бурении структурно-поисковых и гидрогеологических скважин в мягких и средней твердости породах. Основное его достоинство - большая длина хода подачи.

Буровые установки с роторным вращателем используются в основном при бескерновом бурении. При бурении роторными установками с отбором керна наращивание снаряда связано с отрывом снаряда от забоя, что приводит к повреждению керна, нарушению стенок скважины и уменьшению проходки на коронку.

Алмазное бурение с применением роторных установок используется в редких случаях (невозможность применения высоких частот вращения, существенные вибрации снаряда, трудность регулирования осевой нагрузки на коронку, невозможность бурения наклонных скважин).