При гидроударном бурении снижается искривление скважин. Перспективы развития гидроударного бурения связаны с более широким внедрением вращательно-ударного (с применением алмазных и твердосплавных коронок), гидроударно-эжекторного способов и гидроударного бурения двойными снарядами, обеспечивающего высокий процент выхода керна в осложнённых условиях, с совершенствованием технических средств и увеличением объёмов гидроударного бурения сплошным забоем, гидроударное бурение направленных скважин, а также гидроударное бурение в сочетании с комплектами со съёмными керноприёмниками.

Рис.12. Схема расположения оборудования и инструмента при гидроударном бурении:1 - вышка; 2 - станок; 3 - насос; 4 - бурильные трубы; 5 - утяжеленные бурильные трубы; 6 - гидроударник; 7 - кернорватель; 8 - колонковая труба; 9 - закрытая шламовая труба; 10 - эжектор (при гидро-ударном эжекторном бурении); 11 - коронка (твердосплавная или алмазная)

Гидроударник - гидравлическая забойная буровая машина, которая приводится в действие энергией потока промывочной жидкости, нагнетаемой с поверхности насосом по колонне бурильных труб; используется для бурения в породах средней и высокой крепости. Гидроударники относятся к машинам прямого действия с клапанной системой распределения жидкости (рис.11). Включение гидроударника происходит в момент касания буровым снарядом забоя. Разгон ударника и удар его по наковальне, жёстко связанной с породоразрушающим инструментом, осуществляется потоком промывочной жидкости, а возврат его в исходное положение - пружиной, сжатой при прямом ходе. В зависимости от крепости пород применяются твердосплавные или алмазные коронки. Длина гидроударника 1,28 - 2,5 м (для колонкового бурения), масса 25 - 50 кг, энергия единичного удара 8 - 70 Дж, частота 1100 - 3600 ударов/мин, перепад давления 0,5 - 3,0 МПа. Гидроударник устанавливается над колонковой трубой или долотом.

Совершенствование гидроударников производится приближением импульсного питания к объёмному, сокращением утечек промывочной жидкости между клапаном и поршнем, созданием приспособлений для уменьшения потерь энергии в питающем трубопроводе.

В состав инструмента для гидроударного бурения входят собственно гидроударники, породоразрушающий инструмент, кернорватели, одинарные и двойные колонковые трубы, шламовые трубы и т. д.

За исключением гидроударника ГБМС-5М, созданного в Институте горного дела им. А. А. Скочинского, и некоторых других, все основные типы гидроударников разработаны в СКВ ВПО «Союзгеотехника».

В зависимости от области применения, выпускаемые в настоящее время гидроударники подразделяются на два основных типа: гидроударники нормального ряда (представителями, которых являются гидроударники Г-7 и Г-9) и высокочастотные гидроударники (представителями которых являются гидроударники ГВ-5 и ГВ-6).

Рис.13. Гидроударник Гв - 6: 1 - корпус; 2 - клапан; 3 - цилиндр; 4 - боек; 5 - разъем шлицевой

7.2 Пневмоударники

Пневмоударное бурение - разновидность ударно-вращательного бурения c использованием погружного бурильного молотка (пневмоударника) (рис.14). Cовременные погружные пневмоударники работают на энергии сжатого воздуха c давлением 0,5 - 1,5 МПa и имеют клапанное или бесклапанное воздухораспределение. Поршень-боёк пневмоударника за счёт поступательно - возвратного движения наносит удары по хвостовику, который является частью долота (сплошное бурение), или входит в состав пневмоударника и передаёт удары колонковому снаряду (керновое бурение).

Рис.14. Буровой инструмент для ударно-вращательного бурения в сборе:1 - коронка; 2 - штанга; 3 - хвостовик

Bращение пневмоударника осуществляется вместе c долотом и буровым ставом вращателем, установленным на станке; частота 30-70 об/мин. Буровой став наращивается по мере углубления скважины. Пневмоударники применяются при бурении взрывных, технических, поисковых и разведочных скважин на твёрдые полезные ископаемые, воду, нефть и газ. Cкорость бурения определяется конструкцией породоразрушающего инструмента, частотой вращения и ударов и энергией единичного удара.B качестве породоразрушающего инструмента используют 3 или 4-лопастные долота, армированные пластинками твёрдого сплава.B последние годы широко применяются долота c рабочей поверхностью различной конфигурации, армированной цилиндрическими вставками твёрдого сплава co сферическими рабочими поверхностями.Tакие долота более износоустойчивы. Иногда в качестве породоразрушающего инструмента используют шарошечные долота. Для геологоразведочного бурения c отбором керна служат специальные твердосплавные коронки c колонковыми снарядами. B подземных условиях применяют погружные пневмоударники, работающие на водо-масло-воздушной смеси, которая обеспечивает при выхлопе успешное пылеподавление на забое.B случае работы на сжатом воздухе для пылеподавления в буровой став подаётся вода.Ha открытых горных разработках применяют бурение c использованием в основном сжатого воздуха, a образующаяся пыль улавливается системами сухого пылеулавливания (циклоны и тканевые рукавные фильтры). Применяют также мокрое пылеподавление.

Погружными пневмоударниками бурят взрывные скважины глубиной до 40 (50) м и диаметром 80 - 150 мм, a c расширителями - до 250 - 300 мм. При геологоразведочных работах применяют пневмоударники, отличающиеся большей массой бойка, что повышает коэффициент передачи удара через колонковый снаряд, наличием обратных клапанов, предотвращающих попадание в механизм воды и шлама при спуске в скважину. Диаметр скважин 76 - 151 мм, глубина до 200 - 500 м. B условиях водопроявлений практикуется подача в скважину небольшого количества воды и добавки поверхностно-активных веществ. Эффективность бурения снижается по мере увеличения подпора на выхлопе пневмоударника.

Породоразрушающий инструмент для бурения скважин пневмоударниками отличается широкой универсальностью применения и предназначен для использования в породах различной крепости и абразивности, VIII - Xкатегорий по буримости, монолитных и трещиноватых. Все типы коронок для бурения пневмоударниками одинарными колонковыми наборами имеют один общий шифр КП (КП-96, КП-113, КП-132, КП-151, КП-161, КП-184, КП-216).

Колонковые снаряды для пневмоударного бурения делятся на одинарные типа ТМ и двойные типа ТДП.

При бурении глубоких нефтяных и газовых скважин, a также гидрогеологических скважин диаметром 180 - 250 мм используют специальные пневмоударники, работающие при высоком давлении сжатого воздуха. Пневмоударное бурение эффективно в породах c коэффициентом крепости по классификации M. M. Протодьяконова св. 8 (S сж >=80 МПa). Для подземного пневмоударного бурения в Pоссии получили распространение (до 50% объёмов) специальные передвижные станки, устанавливаемые в выработке на распорной колонне типа HKP-100 M, ЛПС-3 и др. Pазрабатываются пневмоударные станки на самоходных пневмошинных базах. Ha открытых горных работах в Pоссии распространены самоходные станки на гусеничном и пневмошинном ходу типа 1СБУ-125, СБУ-100П (рис.15) и др.Зарубежные фирмы также выпускают пневмоударные станки для бурения скважин диаметром 80 -200 мм и более (в отд. случаях до 800 мм) и глуб. до 80 м.

Для геологоразведочного пневмоударного бурения применяют станки шпиндельные или cподвижным вращателем. Зa рубежом распространено бурение погружными пневмоударниками на двойной бурильной колонне c обратной продувкой и выносом разрушенной породы на поверхность по центральному каналу.

Mеханическая скорость пневмоударного бурения возрастает по сравнению c вращательным, хотя в породах средней крепости и крепких вращательное бурение шарошечными долотами при рациональных режимах может обеспечивать более высокие скорости.

ЦНИГРИ разработаны комплексы технических средств для пневмоударного бурения. Комплекс РП предназначен для бурения геологоразведочных скважин при разведке коренных месторождений твердых полезных ископаемых, комплекс КПР - для бурения на россыпных месторождениях в районах распространения мерзлых пород.

В комплексы входят пневмоударники, одинарные или двойные колонковые трубы, соответствующий породоразрушающий инструмент, шламовые трубы.

Привод пневмоударников осуществляется от компрессоров, имеющих подачу до 10 м³/мин и давление сжатого воздуха до 0,7 МПа.

Рис.15. Буровой станок СБУ - 100П:

1 -пылеподавляющий кожух; 2 - буровой инструмент; 3 - механизм подачи; 4 - вращатель с электромотором; 5 - циклон; 6 - компрессор; 7 - -шламосборник; 8 - бурильные трубы; 9 - пульт управления

Бурение с продувкой воздухом и газожидкостными смесями рекомендуется при проходке скважины в безводных районах, в многолетнемерзлых породах, при бурении на водоносные пласты с дебитом до 3 л/с, а также по породам, поглощающим промывочную жидкость. Этот способ не эффективен при проходке часто переслаивающихся водоносных пластов и водонасыщенных песков мощностью более 5 м. Глубина бурения ограничена до 400 м. Применение пневмоударников эффективно при проходке валунно-галечных отложений при небольших водопритоках в скважину, в породах VI-IX категорий, до глубины 300-400 м. Дополнительное оборудование -передвижная компрессорная установка обычно типа ДК-9, герметизатор устья скважины, холодильный узел при бурении по мерзлоте, вентилятор отсоса пыли (при сухой скважине). Имеется опыт применения передвижного модуля для бурения с использованием газожидкостных смесей. Модуль смонтирован на двухосном прицепе ГКБ-817 и включает компрессорную станцию ПП-1,5М1, дозировочный насос НБ1-25/16, смеситель, емкость для приготовления ПАВ, обвязку с КИП, герметизатор устья скважины и циклонный пеногаситель. Образуется замкнутый контур: жидкость поступает из емкости в дозировочный насос, смеситель, далее в виде пены нагнетается в скважину и из скважины через герметизатор устья в пеногаситель и далее в емкость

7.3 Пневмопробойники

7.4 Породоразрушающий инструмент для бурения

По конструкции: лопастные (режуще-скалывающего действия; алмазные (истирающе-режущего действия); шарошечные (дробяще-скалывающего действия);

По твердости горных пород: для бурения мягких пород (М); средних (С); твердых (Т); крепких (К);

По назначению: для бурения сплошным забоем; кольцевым забоем; специального назначения.

Буровое долото - основной элемент бурового инструмента для механического разрушения горных пород в процессе бурения скважины. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважины было ударное бурение, при котором буровое долото имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. По назначению различают 3 класса буровых долот: для сплошного бурения (разрушение горной породы по всему забою скважины), колонкового бурения (разрушение горной породы по кольцу забоя скважины с оставлением в её центральной части керна) и для специальных целей (зарезные долота, расширители, фрезеры и др.). По характеру воздействия на горные породы буровые долота делятся на 4 класса: дробящие, дробяще-скалывающие, истирающе-режущие и режуще-скалывающие. По виду рабочей (разрушающей горную породу) части выделяют шарошечные и лопастные буровые долота.

Шарошечными буровыми долотами осуществляется большая часть общего объёма бурения нефтяных, газовых и взрывных скважин. Шарошечное буровое долото (или бурильная головка для колонкового бурения) состоит из (одной, двух, трёх, четырёх или шести конич.) сферических или цилиндрических шарошек, смонтированных на подшипниках качения или скольжения (или их комбинации) на цапфах секций буровых долот. Основная разновидность шарошечных долот для сплошного бурения - трёхшарошечное долото (рис.16, а), при бурении глубоких скважин получило распространение также одношарошечное буровое долото (рис. 16, б).

Рис. 16.Шарошечные долота: а - трехшарошечное; б - одношарошечное; 1 - наружная конусная присоединительная резьба (ниппель); 2 - секция (лапа) долота; 3 - шарошки; 4 - опора долота; 5 - зубья шарошек

В зависимости от конструкции корпуса шарошечные буровые долота разделяют насекционные и корпусные. В секционных корпус сваривается из отдельных (двух, трёх или четырёх) секций (лап), на цапфах которых монтируются шарошки; в корпусных - корпус литой, к нему привариваются лапы со смонтированными на их цапфах шарошками.Для присоединения бурового долота к бурильной колонне у секционных долот предусматривается наружная конусная резьба (ниппель), у корпусных - внутренняя конусная резьба (муфта). В России выпускаются 13 типов шарошечных долот сплошного бурения диаметрами 46-508 мм (ГОСТ 20692-75). По принципу воздействия на горные породы шарошечные буровые долота делятся на дробящие и дробяще-скалывающие. Буровые долота дробящего действия характеризуются минимальным скольжением зубьев при перекатывании шарошек по забою и отсутствием фрезерующего действия по стенке скважины периферийными зубьями; различают следующие их типы: Т - для бурения твёрдых пород, ТЗ - твёрдых абразивных пород, ТК - твёрдых пород с пропластками крепких, ТКЗ - твёрдых крепких абразивных пород, К - крепких пород, OK - очень крепких пород. Шарошечные буровые долота дробяще-скалывающего действия характеризуются увеличением скольжения зубьев при перекатывании шарошек по забою и стенке скважины. Типы буровых долот дробяще-скалывающего действия: M - для бурения мягких пород, МЗ - мягких абразивных пород, MC - пород мягких с пропластками средней твёрдости, МСЗ - мягких абразивных пород с пропластками средней твёрдости, С - пород средней твёрдости, СЗ - абразивных пород средней твёрдости, CT - пород средней твёрдости с пропластками твёрдых. Породоразрушающим элементом (вооружением) шарошечных буровых долот служат фрезерованные зубья или запрессованные твердосплавные зубки и комбинации зубьев с зубками на поверхности шарошек. Для повышения износостойкости фрезерованных зубьев шарошек от абразивного износа их наплавляют твёрдым сплавом, состоящим из зёрен карбидов вольфрама. Для уменьшения износа долота по диаметру периферийные венцы долот типов С, CT и Т имеют Г или Т-образную форму. Геометрическая форма и параметры зубьев (высота, длина, шаг, а также смещение осей шарошек) различны (уменьшаются от типа M к типу Т) и зависят от физических свойств разбуриваемых горных пород. Современное вооружение шарошек буровых долот выполняется из вставных твердосплавных зубков с призматическими (типы МЗ, СЗ, МСЗ и ТЗ) и сферическими (тип ТК) рабочими головками. Опора шарошечных буровых долот в процессе вращения шарошки обеспечивает передачу осевой нагрузки от бурильной колонны через цапфы и тела качения вооружению шарошки, находящемуся в контакте с горной породой забоя скважины. В опорах буровых долот в качестве радиальных используются подшипники роликовые, шариковые и скольжения, радиально-упорных - шариковые подшипники, упорных - подшипники скольжения. На рис.16 показаны наиболее известные схемы опор, которые применяют в шарошечных буровых долотах. В каждой опоре имеется замковый шариковый подшипник, удерживающий шарошку на цапфе и воспринимающий осевую составляющую нагрузки на долото.

Число роликов и шариков в опоре шарошек и их размеры зависят от размера долота, схема опоры - от режима бурения. Долота, использующиеся для высокооборотного бурения (более 250 об/мин), имеют опору с телами качения без герметизации (серия 1АВ), для среднеоборотного бурения (до 250 об/мин) - опору по схеме ролик-шарик - скольжение - упорная пята без герметизации (серия 1АН) либо с герметизацией при помощи торцевой манжеты (серия 2АН). Долота для низкооборотного бурения (до 60 об/мин) имеют герметизированную маслонаполненную опору по схеме скольжение - шарик - скольжение - упорная пята с радиальной уплотняющей манжетой. В долотах с герметизированной маслонаполненной опорой в утолщённой части лапы имеется специальный резервуар со смазкой, в который вмонтирован эластичный мешок, изменяющий форму по мере увеличения давления при спуске долота в скважину и способствующий вытеснению смазки по смазочным каналам к трущимся элементам опоры. При этом уплотнительная манжета должна обеспечить герметичность опор со стороны торца шарошки. Это достигается жёсткостью торцевой манжеты и плотным прилеганием её к торцу шарошки.

Для подвода промывочной жидкости через долото к забою скважины в шарошечных буровых долотах имеются специальные промывочные или продувочные устройства. В зависимости от конструктивного выполнения выделяют шарошечные буровые долота с центральной, боковой промывкой, а также продувкой воздухом. Буровые долота с центральной промывкой имеют одно отверстие в центре долота либо 3 отверстия или щели в корпусе (промывочной плите), через которые промывочная жидкость направляется на шарошки в центральную часть скважины. В долотах с боковой промывкой (гидромониторные буровые долота) промывочная жидкость через сопла направляется между шарошками в периферийную зону забоя скважины.

В буровых долотах с продувкой воздухом, газом или воздушно-водяной смесью одна часть потока через центральное отверстие в корпусе долота подаётся на шарошки, другая - по специальным каналам в лапах и их цапфах поступает в полость опор шарошек для их охлаждения и очищения от бурового шлама. При бурении взрывных скважин в долотах с продувкой воздухом применяют обратные клапаны, которые обеспечивают немедленное закрытие центрального продувочного канала долота после прекращения подачи воздуха и тем самым не допускают засасывания частиц породы в полость корпуса долота над входом в продувочные каналы лап.

Рис.17. Расширитель для шарошечного бурения:

1 - корпус; 2 - шарошки; 3 - втулки; 4 - шайбы; 5 - переходник

Лопастные буровые долота предназначены для бурения вращательным способом мягких и средней твёрдости пород.

Рис. 18. Лопастные долота: а - двухлопастное; б - трехлопастное; в - пикообразное; г - шнековое; 1 - корпус; 2 - лопасть долота; 3 - промывочные каналы; 4 - армировка долот

Лопастное буровое долото (рис. 18 а, б, в) состоит из кованого корпуса с присоединительной резьбой, к которому привариваются 3 и более лопастей. У двухлопастного долота корпус и лопасти отштамповываются как одно целое. Для повышения износостойкости долот лопасти армируются твёрдым сплавом. Пластинки твёрдого сплава заправляются на передней грани лопастей в специально профрезерованные пазы. Боковые (калибрующие стенку скважины) грани лопастей армируются цилиндрическими зубками (сплав ВК8 - В), запрессовываемыми в просверленные отверстия. Промежутки между зубками наплавляются твёрдым сплавом. В России лопастные долота (ГОСТ 26-02-1282-75) с промывкой изготовляют с цилиндрическими отверстиями в корпусе (тип 2Л, диаметры 76 - 165,1 мм, скорость движения промывочной жидкости до 50 м/с) и сменными гидромониторными насадками в корпусе (тип ЗЛ, диаметры 120,6 - 469,9 мм, скорость промывочной жидкости не менее 90 м/с). Истирающе-режущие буровые долота (тип ЗИР) имеют диаметры 190,5 - 269,9 мм. Пикообразные буровые долота тип П (диаметры 98,4 - 444,5 мм) изготовляют двух разновидностей: Ц - для разбуривания цементных пробок и металлических деталей низа обсадных колонн; Р - для расширения ствола скважины. К лопастным относятся также буровые долота для ударно-канатного бурения. Для бурения без промывки скважины применяют шнековые долота (рис.18, г).

Для вспомогательных работ (разбуривания цементных мостов, металла в скважине) выпускаются фрезерные буровые долота: тип ФР в виде плоскодонных фрезеров, нижняя рабочая поверхность которых оснащена твердосплавными зубками или пластинками, выступающими над корпусом буровых долот; тип ДФТС с расположением твердосплавных зубков по 3 спиралям, имеющим плавный переход от центрального канала долота на рабочую сферу.

Для бурения скважин с отбором керна применяют шарошечные и лопастные бурильные головки, которые изготовляют для специальных керноприёмных устройств со съёмным и несъёмным керноприёмниками. Колонковые долота со съёмным керноприёмником позволяют отбирать с забоя скважины керн без подъёма бурильной колонны.

Керноприёмник с керном извлекают из скважины шлипсом, спускаемым в бурильные трубы со специальной лебёдки, а бурильную головку поднимают только после её износа вместе с колонной. При работе колонковыми долотами с несъёмным керноприёмником для выноса керна из скважины необходимо поднимать всю бурильную колонну; при этом часто головки оказываются неизношенными. Кернообразующие элементы долот передают на керн минимальные поперечные усилия, что снижает вероятность его разрушения; промывочные каналы в бурильных головках расположены так, что струя промывочного раствора минует керноприёмник.

Бурильные долота и бурильные головки изготовляют из прочных и износостойких материалов, т.к. в процессе бурения на долото действуют осевые и ударные нагрузки, вращающий момент, а также давление и химическая активность промывочной жидкости. Для секций (лап) и шарошек буровых долот применяют хромоникельмолибденовые, хромоникелевые и никель-молибденовые стали.

Выпускаются буровые долота и бурильные головки, оснащённые природными или синтетическими алмазами.

7.5 Породоразрушающий инструмент для бурения колонковым способом

В состав инструмента для колонкового бурения входят породоразрушающие инструменты, расширители, кернорватели, колонковые трубы, промывочные сальники, вспомогательный инструмент и принадлежности.

На инженерных изысканиях при колонковом бурении, которое в рыхлых и мягких породах чаще всего осуществляется всухую, используются твердосплавные коронки. Твердыми сплавами бурят осадочные, а также некоторые метаморфические и изверженные породы, относящиеся к I-VIIкатегориям по буримости. Кроме того, твердосплавными коронками бурят бескварцевые породы VIII-IXкатегорий. Выбор твердосплавных коронок зависит от физико-механических свойств породы.

Буровая коронка - разновидность бурового породоразрушающего инструмента, используемого для бурения геологоразведочных скважин с отбором керна, взрывных скважин и шпуров сплошным забоем. Буровая коронка для геологоразведочного бурения представляет собой стальное кольцо, нижний рабочий торец которого армируется твёрдыми сплавами, алмазами, на др. конце выполняется резьба для соединения коронки с колонковой трубой или расширителем. В России для бурения в породах невысокой и средней твёрдости используют буровые коронки, армированные пластинками твёрдых сплавов ВК-6, ВК-8 (вращательное бурение) и ВК-15 (гидроударное). При бурении некрепких пород I-IV категорий (по классификации ЕНВ 1971 Мин-ва геологии СССР) применяют ребристые твердосплавные коронки (тип М, диаметр 93-151 мм, рис. 20, а). Бурение пород V-VII категорий осуществляется коронками с заточенными резцами (тип СМ, диаметр 46-151 мм, рис. 20, б), породах VII-IX категорий - самозатачивающимися коронками (тип CA, диаметр 46-151 мм) с комбинированными резцами из тонких твердосплавных и стальных пластин (рис. 20, в). Для гидроударного бурения применяют кольцевые буровые коронки диаметром 59, 76 и 93 мм, армированные 4 или 6 пластинками твёрдого сплава.

Рис. 20.Твердосплавные коронки: а - ребристая типа М; б - резцовая типа СМ; в - микрорезцовая типа СА

Для бурения шпуров и взрывных скважин применяют съёмные буровые коронки, армированные пластинами или штырями твёрдого сплава ВК-15. Корпуса буровых коронок изготовляют из высокопрочных легированных сталей и соединяют со штангами при помощи конуса с углом 3°30' или специальной резьбой, рассчитанной на передачу энергии удара на лезвие через корпус коронки. Угол заострения лезвия буровой коронки 80-120°; чем крепче порода, тем больше угол заострения. Для бурения неглубоких шпуров диаметром 35 - 50 мм применяют в основном однодолотчатые коронки (рис.21, а). Крестовые (рис.21, б) буровые коронки используют для бурения более крепких и трещиноватых пород. Глубокие шпуры диаметром свыше 50 мм бурят также буровыми коронками ступенчатой формы с опережающим лезвием (рис.21, в).

Рис. 21. Буровые коронки для бурения шпуров и взрывных скважин: а - однодолотчатая; б - крестовая; в - ступенчатой формы с опережающим лезвием.

Алмазные коронки бурят породы VI-VIIкатегорий по буримости, а на больших глубинах и породы V-VIIкатегорий.

Забойный буровой снаряд при алмазном бурении состоит из буровой алмазной коронки (рис.19) или долота, алмазного расширителя,сохраняющего диаметр скважины при износе коронки, кернорвательного устройства, колонковой трубы и колонны бурильных труб.

Алмазные коронки представляют собой короночное кольцо из стали Ст.20 или Ст.30 (ГОСТ 1050-74), к торцу которого прикреплена алмазосодержащая матрица с рассредоточенными в ней мелкими алмазами.

Алмазные коронки выпускают со стандартным корпусом для одинарных колонковых труб и удлиненным - для двойных колонковых труб. В торцевой и боковой поверхности имеются от 2 до 10 (в зависимости от назначения и диаметра коронки) промывочных канала.

По конструктивному исполнению алмазный буровой инструмент подразделяется на инструмент матричного вида и инструмент со стальным корпусом. В алмазном буровом инструменте матричного вида природные, синтетические и другие породоразрушающие элементы закреплены в износостойком матричном слое способом порошковой металлургии. В алмазном буровом инструменте со стальным корпусом породоразрушающие элементы из композиционного материала, изготовленного на основе природных, синтетических алмазов и алмазно-твердосплавных материалов в виде пластин или цилиндров, закреплены в стальном корпусе с помощью пайки или запрессовки.

Алмазные коронки имеют небольшой диаметр, поэтому бурильные трубы должны иметь, как правило, ниппельное соединение. Для коронок диаметром 36 и 46 мм применяются гладкоствольные ниппельные трубы диаметром 33,5 и 42 мм соответственно, для коронок 59 и 75 мм - 42 и 50 мм.

Рис.19.Типы алмазных коронок: а - однослойная; б - многослойная; в - импрегнированная; 1 - объемные алмазы; 2 - подрезные алмазы; 3 - матрица; 4 - корпус коронки; 5 - матрица, насыщенная мелкими алмазами

При поисках и разведке месторождений полезных ископаемых применяют алмазные буровые коронки и частично алмазные долота (диаметры 36, 46, 59, 76, 93, 112 мм); при бурении глубоких эксплуатационных скважин на нефть и газ - главным образом долота (диаметры 140, 159, 188, 212, 242 мм). Aлмазы в матрице коронки располагают слоями (от 1 до 3) либо их равномерно перемешивают c материалом матрицы (так называемые импрегнированные коронки).C учётом характера проходимых пород твёрдость матрицы колеблется от 10 до 50 HRC (чем крепче и абразивнее порода, тем твёрже матрица). Для армирования коронок используют технические алмазы (главным образом борт). Для изготовления однослойных и многослойных коронок применяют алмазы размером 20-100 зёрен в 1 кар; для импрегнированных, использующихся при бурении очень крепких, абразивных трещиноватых горных пород - от 120 до 1200 зёрен в 1 кар и более. Пo расположению в инструменте различают объёмные алмазы для торца коронки и более крупные подрезные, помещаемые на боковой поверхности. Hапример, в однослойную коронку диаметром 46 мм вставляют 6 - 8 кар алмазов, 59 мм - 10 - 12 (из них 60% объёмных и 40% подрезных). Cпособ изготовления матриц алмазных буровых долот тот же, что и для алмазных коронок, но алмазы применяют более крупные - 0, 05 - 0, 34 кар (например, на долото диаметром 188 мм расходуется 400-650 кар, или 2000-2500 зёрен алмазов).

Pecypc алмазных породоразрушающих инструментов в 8 - 10 раз больше по сравнению c другими инструментами.Bысокая производительность алмазного бурения (в cpеднем проходка алмазного долота в 19 раз больше, чем шарошечного) достигается за счёт применения больших частот вращения бурового снаряда (до 2000 об/мин и более).Hаибольший эффект алмазное бурение даёт при использовании буровых коронок малых диаметров (49-76 мм), при высоких частотах вращения и удельной нагрузке на рабочем торце коронки 5 - 15 МПa.

Некоторые типы долот изготовляют из сталей электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов.

Совершенствование буровых долот осуществляется в направлении улучшения их конструкций: создания новых схем опор с герметизированными маслонаполненными опорами для низкооборотного и высокооборотного бурения; применения новых форм твёрдосплавных зубков; изыскания более износостойких материалов; повышения точности изготовления деталей и сборки долот, а также применения более совершенных схем подвода промывочной жидкости к забою скважины.

При бурении крепчайших пород VIII-XII категорий наибольший эффект дают алмазные буровые коронки диаметром 76, 59 и 46 мм.

7.6 Инструмент для ударно-канатного бурения скважин кольцевым забоем

Забивные стаканы выпускаются двух видов: без клапана (для бурения в связанных грунтах) и с клапаном (для бурения в несвязанных грунтах). В связанных глинистых грунтах обычно применяют стаканы с одним или двумя продольными окнами, позволяющими описывать геологический разрез и очищать стаканы от породы. В нижней части стаканы оборудуются рабочим кольцом (башмак) с упрочненной режущей кромкой.

Наружный диаметр башмака делают несколько большим, а внутренний несколько меньшим, чем соответствующие диаметры собственно стакана. Угол заточки башмака должен соответствовать 50-60°. Скос у рабочего кольца обычно делают с внутренней стороны, чтобы лучше удержать породу в стакане, а также предупредить прихват стакана в скважине. На верхней части стакана имеется резьбовой переходник для соединения его с ударным патроном или утяжеленной ударной штангой. Для забивного и клюющего способов бурения используют стаканы одинаковой конструкции. Стаканы изготавливают из обсадных (колонковых) труб либо их ниппельных заготовок с наружным диаметром 73, 89, 108, 127, 146, 168, 219 и 273 мм.

В последнее время широкое распространение получили разъемные стаканы. При использовании разъемных стаканов существенно облегчается и ускоряется процесс очистки последних от породы. Наиболее трудоемким процессом при ударно-канатном бурении стаканами является их очистка от грунта. Процесс очистки обычно осуществляется вручную с использованием ломов, специальных лопаток, кувалд. Нанесение ударов по стакану приводит к его деформации и преждевременному выходу из строя. Особенно быстро деформируют безбашмачные стаканы. При таком способе очистки нарушается строение керна, что затрудняет ведение геологической документации. Процесс очистки становится чрезвычайно трудоемким, если бурение ведется в плотных вязких глинистых грунтах. Для ускорения и облегчения операции по очистке стаканов применяют разъемные стаканы, поршневые стаканы и др.

Ударный патрон предназначен для нанесения ударов по забивному стакану или грунтоносу с целью их заглубления, а также для забивки обсадных труб. Патрон состоит из ударной штанги, трубного корпуса, наковальни. На верхней части ударной штанги имеется коническая резьба, с помощью которой ударный патрон соединяется с переходником для его подвески на канате. Наковальня с помощью резьбы присоединяется к забивному стакану. В процессе бурения ударная штанга приподнимается и сбрасывается на наковальню, благодаря чему стакан углубляется в грунт.

Желонка предназначена для бурения скважин в несвязанных грунтах и плывунах.

Утяжеленные штанги предназначены для увеличения массы стакана (при клюющем способе бурения) или желонки (при желонировании). Утяжелитель представляет собой стальной цилиндр, жестко присоединенный к стакану. Бурение в этом случае осуществляется путем подъема стакана с утяжеленной штангой на некоторую высоту и сбрасывания его на забой.

7.7 Инструмент для ударно-вибрационного бурения

В качестве породоразрушающего инструмента при вибробурении чаще всего используют виброзонды. Виброзонд представляет собой трубу длиной 1-3 м, имеющую на нижнем конце рабочее кольцо, а на верхнем - переходник для присоединения к бурильным трубам. Реже используют виброзонды некруглого сечения (прямоугольного, квадратного и т. п.). В связи с внедрением в изыскательское производство плоских прессиометров возможности для использования некруглых зондов расширяются. Труба по всей длине имеет одну или несколько прорезей для очистки зонда от породы и производства геологического описания. Наиболее часто употребляются зонды диаметром 108, 127, 146 и 168 мм, реже - зонды диаметром 89 и 219 мм.

Для бурения насыпных грунтов с обломками кирпичей, битым стеклом, строительным мусором и особенно с отходами текстиля и резиной, а также крупнообломочных (валунно-галечниковых) грунтов применяют зонды с зубчатыми башмаками. При бурении этими башмаками снаряд обязательно необходимо проворачивать. Нередко насыпной грунт представляет собой сплошной слой битого кирпича, который пробить виброзондом не удается. Тогда используют специальные пикобуры, которыми первоначально пробивается в насыпном слое отверстие, затем это отверстие расширяется виброзондом. Большие трудности представляет бурение насыпного грунта, содержащего обрезки резины. В этом случае также следует применять пикобуры. Нередко проходка мерзлых грунтов также осуществляется более успешно, если применять пикобуры.

7.8 Инструмент для вибрационно-вращательного бурения

7.9 Инструмент для шнекового и медленновращательного бурения

В комплект инструмента для шнекового бурения входят долота и шнеки. Порода при бурении разрушается двух- и трехступенчатыми долотами. Торец каждой лопасти долота и наружные периферийные части его армируются или наплавляются твердыми сплавами. Диаметр окружности лопастей трехлопастного долота на 15 - 20 мм больше диаметра шнеков.

Собственно шнек представляет собой трубу, на которой по винтовой спирали с шагом 0,6 - 0,8 диаметра шнека приварена спиральная стальная лента. Долото со шнеком и шнеки между собой соединяются при помощи быстроразъемных замков.

Производственное объединение «Геомаш», ведущее постоянное совершенствование инструмента для шнекового бурения, вместе с установкой ЛБУ-50 поставляет следующий инструмент: буровую коронку, шнек обычный и шнек усиленный.

Буровая коронка состоит из корпуса с тремя приваренными лопастями и шестигранным (60 60 мм) хвостовиком. Режущие кромки лопастей наплавлены твердым сплавом и армированы восьмигранником ВК - 8, что обеспечивает проходку скважин в породах до IV категории. Шестигранным хвостовиком коронка вставляется в муфту усиленного шнека и закрепляется пальцем. Наружный диаметр коронки составляет 215 мм, масса 7,5 кг.

Шнек передает крутящий момент на буровую коронку и является транспортером разбуренной породы при бурении скважины. Соединяются шнеки в колонну с помощью шестигранных хвостовиков и закрепляются пальцами. Диаметр шнека составляет 200 мм, длина - 1600 мм, шаг спирали - 125 мм, масса - 40,5 кг.

Усиленный шнек устанавливается непосредственно над коронкой. Он обеспечивает подбор и частичное разрушение крупных кусков породы с последующим транспортированием их. В отличие от обычного шнека, усиленный шнек имеет утолщенную спираль Ѕ витка, приваренную со стороны муфты. Свободный конец этой спирали имеет заточку с наплавкой твердым сплавом. Параметры усиленного шнека соответствуют обычному, за исключением массы, которая составляет 41 кг.

Долота и коронки для шнекового бурения с учетом специфических локальных условий бурения нередко разрабатывают и в изыскательских организациях.

В Южгипроводхозе по предложению Л. С. Токарева и Т. М. Истомина для проходки скважин диаметром 300 мм используются долота и шнеки специальной конструкции. Долото изготовляется из металлического стального листа толщиной 10-20 мм, высотой 160 мм, шириной 300 мм в виде двухлопастного корпуса, который, как и в предыдущих долотах, армируется пластинами твердого сплава ВК-8 формы Г-41, Г-52 или Г-54. Корпус долота вставляется в паз на шестигранном хвостовике. Глубина паза 25 мм.

В качестве шнека используется обычный шнек диаметром 230 мм, к которому дополнительно приваривается стальная лента шириной 70 мм и толщиной 5 мм с заходом 20 мм.

При шнековом бурении сплошным забоем, как известно, происходит полное нарушение природного сложения грунта. Это существенным образом ограничивает сферу применения шнекового бурения на изысканиях. В то же время шнековое бурение обладает высокой производительностью, поэтому вполне понятно стремление различных организации создать такой шнековый инструмент, который позволил бы производить качественную геологическую документацию и при этом дал возможность сохранить высокую скорость бурения. Этому требованию во многом удовлетворяет полый шнековый инструмент с внутренней керноприемной гильзой, опускаемый и извлекаемый на канате (внутри полой шнековой колонны) или непосредственно на шнековой колонне. Однако до последнего времени надежной конструкции такого инструмента создано не было, поэтому при инженерно-геологических изысканиях полый шнековый инструмент практически не применяется.

При медленновращательном бурении с использованием буровых установок и ручного привода используют два типа породоразрушающего инструмента - ложковые и спиральные буры.

Ложковые буры применяют для бурения мягких и рыхлых пород (суглинков, супесей, песков н др.). Различают ложковые буры обычные и эксцентричные. У последних ось головки и лезвия не совпадает с осью корпуса, поэтому скважина разбуривается на 12-35 мм больше диаметра бура. Существуют многочисленные другие разновидности ложковых буров. Некоторые из них оборудуются направляющим спиральным буром малого диаметра. Режущее лезвие наплавляется или армируется твердым сплавом. В зависимости от плотности проходимых грунтов ширина продольного выреза у ложковых буров различна, в слабых неустойчивых породах следует применять буры с меньшим вырезом, в плотных - с большим. Длина ложковых буров изменяется от 0,5 до 1 м.

Спиральные буры (змеевики) применяют для бурения плотных и вязких пород (глин, тяжелых суглинков и др.). При бурении более слабых грунтов следует применять спиральные буры с меньшим шагом навивки. Режущая часть бура закаливается, направляется или армируется твердым сплавом. Длина спирального бура соответствует 0,5 - 0,8 м.

7.10 Инструмент для бурения скважин большого диаметра в мягких и рыхлых породах

При вращательном бурении шурфов могут применяться следующие типы породоразрушающего инструмента: двухзаходные шнековые буры, однозаходные шнековые буры с одним или двумя режущими ножами, тарельчатые буры, конусные ложковые буры, ложковые буры с расширителем, самораскрывающиеся ложковые буры, кассетный бур, цилиндрические ковшовые буры. Все перечисленные выше буры предназначены для проходки скважин диаметром 0,5-0,9 м без промывки.

Ударный способ бурения скважин большого диаметра может осуществляться инструментом забивного и грейферного типа.

Применяют забивной инструмент - ячеистый стакан. При грейферном бурении применяют одноканатные (ненапорные) и напорные грейферы.

Глава 8. Бурильные, колонковые и обсадные трубы, их соединения и принадлежности

8.1 Бурильные трубы

Бурильные трубы служат для спуска бурового снаряда в скважину, обеспечения промывки или продувки ее забоя, передачи вращения породоразрушающему инструменту с поверхности от вращателя станка, передачи осевой нагрузки на забой скважины, подъема бурового снаряда из скважины, транспортировки керна и ликвидации аварий. Бурильная колонна должна быть достаточно прочной во всех частях и противостоять действию возможных нагрузок, в то же время быть по возможности легкой, обеспечивать создание достаточных осевых нагрузок на долото и циркуляцию бурового раствора с минимальными гидравлическими потерями в системе, быть герметичной и др. Конструкция бурильной колонны, свечей, муфт, замков должна обеспечивать быстрое свинчивание-развинчивание, надежный захват и освобождение при спуско-подъемных операциях, надежное крепление труб и других элементов между собой, исключающих самоотвинчивание. Поверхности всех элементов колонны должны быть стойкими к абразивному износу в промывочной жидкости и при трении о стенки скважины. Основные элементы, составляющие бурильную колонну: ведущие трубы, бурильные трубы, бурильные замки, переводники, центраторы бурильной колонны, утяжеленные бурильные трубы.

Ведущие бурильные трубы (ВБТ) изготавливаются двух типов (тип К - квадратного сечения и тип Ш - шестигранного сечения) в соответствии с нормами. Трубы бурильные ведущие поставляются обработанными по всей длине. Ведущие бурильные трубы изготавливаются из стали 45ХГМА.

Трубы бурильные стальные с навинченными замками (ГОСТ 631-75) изготавливаются из сталей групп прочности Д, К, Е, Л и М, замки - из стали 40ХН. Трубы бурильные с приваренными замками изготавливаются по ТУ 14-3-1571-88.

Выпускаются бурильные трубы с утолщенными стенками, предназначенные для установки их между утяжеленными и обычными трубами.

Бурильные трубы выпускают как с правой, так и с левой резьбой. Последние применяют при ликвидации аварий и при левом вращении снаряда (в случае, когда требуется уменьшить интенсивность естественного искривления скважины).

По типу соединений стальные бурильные трубы для геологоразведочных работ, равно как и для инженерно-геологических изысканий, подразделяются: а) трубы бурильные муфтово-замкового соединения; б) трубы бурильные ниппельного соединения.

Рис. 22.Конструкция бурильного замка: 1 - резьбовое соединение с трубой; 2 - ниппель; 3 - замковое соединение; 4 - муфта; 5 - бурильная труба

Для высокооборотного бурения алмазными и твердосплавными коронками применяют легкосплавные бурильные трубы.

Легкосплавные бурильные трубы изготавливаются из алюминиевых сплавов и также выпускаются двух типов: муфтово-замкового ЛБТМ - 54 и ниппельного ЛБТН - 54 соединений. При сборе легкосплавных труб с ниппелями используют самотвердеющий герметизирующий состав УС-1, в связи с чем, соединения являются неразборными.

Замки для соединения между собой бурильных свечей из труб диметром 50 мм изготовляют по ГОСТ 7918-75. Замок состоит из ниппеля (рис.22, 2) и муфты (рис.22, 4), соединенных между собой как правой, так и левой резьбой.

Бурильные колонны ниппельного соединения находят ограниченное применение из-за разрушения резьбы ниппелей при использовании труборазворотов. В ряде организаций ниппели выпускают с разгрузочными шейками, по типу соединений ЛБТН - 54, что значительно повышает их работоспособность.

Для увеличения веса и жесткости низа бурильной колонны при бурении скважин диаметром 76,93мм и более в компановку бурового инструмента включают утяжеленные бурильные трубы.

Трубы бурильные утяжеленные горячекатаные (ТУ 51-774-77) изготавливаются гладкими по всей длине со сквозным отверстием и механической обработкой, что обеспечивает необходимую балансировку. Трубы подвергаются термообработке по концам на длину 0,8….1,2 м. Трубы УБТС-2 изготавливаются из легированных сталей.

8.2 Колонковые и обсадные трубы

Трубы, применяемые при сооружении скважин, относятся к технологическому и вспомогательному инструменту. Колонковые и шламовые трубы являются технологическим инструментом, при помощи которого осуществляется непосредственно бурение скважины, обсадные трубы - вспомогательным инструментом.

Колонковые трубы предназначены для приема керна, последующего транспортирования его на поверхность и поддержания заданного направления ствола скважины в процессе бурения. Колонковые трубы изготавливают из заготовок обсадных труб. На обеих концах нарезается внутренняя трапецеидальная резьба.

России действует стандарт ГОСТ 6238-77, которым предусмотрены обсадные и колонковые трубы двух типов: безниппельные (труба в трубу) и ниппельные (соединяемые ниппелями).

Колонковые трубы поставляют длиной 3; 4,5; 6 и 8 м с допускаемыми отклонениями ± 0,1 м. В длинный колонковый снаряд они могут собираться с помощью соединительных ниппелей. Трубы изготавливают бесшовными с закаленной наружной поверхностью (с помощью тока высокой частоты) из стали групп прочности Д, К и Е. Для гидроударного бурения применяют толстостенные (6-7мм) колонковые трубы.

Колонковый набор - устройство для отбора керна в процессе геологоразведочного бурения. Различают одинарные и двойные колонковые наборы. Одинарный колонковый набор состоит из колонковой трубы и переходника, двойной - из корпуса и керноприёмника (в т.ч. съёмного). Для бурения к колонковому набору присоединяют породоразрушающий инструмент и иногда расширитель. Применяют специальный колонковый набор co штампом на керноприёмнике для отбора рыхлых пород, устройством для отбора газа или герметизации керна на забое.

Обсадные трубы служат для предотвращения обвалов и сужения стенок скважины в неустойчивых породах, перекрытия напорных и поглощающих горизонтов, а также для выполнения других специальных целей, например связанных с постановкой штампов в шурфах и скважинах и др. В колонковом бурении применяют бесшовные цельнотянутые обсадные трубы с гладкой наружной поверхностью, соединяемые ниппелями.

Обсадные трубы малого диаметра при неглубоком бурении соединяются без ниппелей - труба в трубу.

Обсадные трубы и муфты к ним изготавливаются по ГОСТ 632-80 следующих размеров (условный диаметр трубы, мм): 114, 127, 140, 146, 168, 178, 194, 219, 245, 273, 299, 324, 340, 351, 377, 406, 426, 473, 508. Поставляют трубы длиной от 9,5 до 13,0 м. На один конец трубы навинчена и закреплена муфта, резьба другого конца защищена предохранительным кольцом.

Обсадные трубы соединяются на резьбе, которая может быть короткой и удлиненной. В обсадных трубах используется треугольная и трапецеидальная резьбы.

Кондукторная колоннa (кондуктор) - колонна обсадных труб, предназначенная для крепления верхнего интервала скважин c целью перекрытия горных пород, склонных к обрушению или поглощению промывочной жидкости.

Kондуктор представляет собой набор стальных труб, соединённых между собой, как правило, конической резьбой посредством муфт.C целью беспрепятственного спуска кондуктора в скважину его нижнюю часть оборудуют специальным башмаком c направляющей пробкой обтекаемой формы. Через башмак и канал в направляющей пробке осуществляется циркуляция бурового и цементного растворов. Длина кондуктора нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин обычно 100 - 500 м. При проводке уникальных сверхглубоких скважин в изверженных (магматических) горных породах длина кондуктора может превышать 2000 м. Диаметр труб и соединяющих их муфт определяет выбор диаметра долота для бурения. Кольцевой технологический зазор между кондуктором и стенкой ствола скважины выбирается из условия беспрепятственного спуска кондуктора и его качественного цементирования.