Механический ударный способ бурения
Ударно-механическим называется бурение, при котором разрушающее породу усилие создается воздействием ударов сбрасываемого на забой с некоторой высоты породоразрушающего инструмента — ударного долота.
Рис. 1. Схема ударно-канатного бурения:
1 — долото; 2 — ударная штанга; 3 —раздвижная штанга; 4 — канатный замок; 5 — инструментальный канат; 6 — желоночный канат; 7 — ролик мачты; 8 — амортизатор; 9 — мачта; 10 — оттяжной ролик; 11 — балансирная рама; 12 — направляющий ролик; 13 — инструментальная лебедка; 14 — тормоз; 15 — главный вал; 16 — кривошип; 17 — шатун; 18 — желоночная лебедка; 19 — желонка
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Принципиальная схема ударно-канатного механического бурения показана на рис. 1.
Буровой снаряд спускается в скважину на инструментальном канате, переброшенном через головной ролик мачты, огибает оттяжной и направляющий ролики балансирной рамы. При заторможенном барабане инструментальной лебедки, на котором закреплен конец каната, шатунно-кривошипным устройством балансирная рама приводится в качательное движение относительно оси направляющего ролика. Оттяжной ролик балансирной рамы, опускаясь, натягивает канат и поднимает снаряд над забоем. Поднимаясь вверх, ролик освобождает канат, и снаряд под собственным весом падает на забой, ударным долотом разрушая породу. Для равномерной обработки забоя и придания скважине цилиндрической формы необходимо после каждого удара снаряд поворачивать на некоторый угол. По мере разрушения породы канат постепенно сматывают с барабана лебедки, осуществляя подачу долота вслед за продвигающимся забоем.
В процессе долбления на забое скважины должна быть вода, в которой частицы разрушенной породы находятся во взвешенном состоянии. При достижении определенной плотности шлама долбление породы прекращают, инструментальной лебедкой извлекают снаряд на поверхность и чистят скважину. Эта операция выполняется желонкой, опускаемой в скважину на желоночном канате с барабана желоночной лебедки.
В зависимости от физико-механических свойств породы и диаметра скважины интервал углубления за одно долбление колеблется от 20 до 100 см.
В мягких, рыхлых породах долбежный снаряд не используется, а скважину углубляют желонкой.
При пересечении неустойчивых пород стенки скважины закрепляют обсадными трубами, широко используя их принудительную посадку как с опережением забоя, так и с отставанием от него.
Ударно-канатное механическое бурение применяется при разведке россыпных месторождений и вкрапленных руд цветных металлов, разведке и эксплуатации подземных вод, инженерно-геологических исследованиях, открытой разработке месторождений полезных ископаемых для проходки взрывных скважин, проходке скважин для водопонижения, вентиляции горных выработок, спуска в них крепежного и закладочного материала, прокладки кабелей и трубопроводов.
Ударно-канатным способом бурят скважины глубиной до 400—500 м начальным диаметром 500—900 мм и конечным — 150 мм. Объем буровых работ, выполняемых в СССР ударно-канатным способом, ограничен и составляет не более 1—2% ежегодного объема разведочного бурения.
Источник
2.3 Способы бурения скважин
По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение.
При механическом бурениибуровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее.
Немеханические способы(гидравлический, термический, электрофизический) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.
Промышленное применение находят только способы механического бурения — ударное и вращательное.
2.3.1 Ударное бурение
Ударное бурение. Из его всех разновидностей наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение (Рисунок 2.7).
Буровой снаряд, который состоит из долота 1, ударной штанги 2, раздвижной штанги-ножниц 3 и канатного замка 4 , спускают в скважину на канате 5, который, огибая блок 6, оттяжной ролик 8 и наравляющий ролик 10, сматывается с барабана 11 бурового станка. Скорость спуска бурового снаряда регулируют тормозом 12. Блок 6 установлен на вершине мачты 18. Для гашения вибраций, возникающих при бурении, применяются амортизаторы 7.
Кривошип 14 при помощи шатуна 15 приводит в колебательное движение балансирную раму 9. При опускании рамы оттяжной ролик 8 натягивает канат и поднимает буровой снаряд над забоем. При подъеме рамы канат опускается, снаряд падает, и при ударе долота о породу последняя разрушается.
Рисунок 2.7 —Схема ударно-канатного бурения
По мере накопления на забое разрушеной породы (шлама) возникает необходимость в очистке скважины. Для этого с помощью барабана поднимают буровой снаряд из скважины и многократно спускают в нее желонку 13 на канате 17, сматываемом с барабана 16. В днище желонки имеется клапан. При погружении желонки в зашламленную жидкость клапан открывается и желонка заполняется этой смесью, при подъеме желонки клапан закрывается. Поднятую на поверхность зашламленную жидкость выливают в сборную емкость. Для полной очистки скважины приходится спускать желонку несколько раз подряд.
После очистки забоя в скважину опускают буровой снаряд, и процесс бурения продолжается.
При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, спускают обсадную колонну, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колону продвигают к забою и периодически удлиняют (наращивают) на одну трубу.
Ударный способ более 50 лет не применяется на нефтегазовых промыслах России. Однако в разведочном бурении на россыпных месторождениях, при инженерно-геологических изысканиях, бурении скважин на воду и т.п. находит свое применение.
2.3.2 Вращательное бурение скважин
При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.
Существует две разновидности вращательного бурения — роторный и с забойными двигателями.
При роторном бурении(Рисунок 2.8) мощность от двигателей 9 передается через лебедку 8 к ротору 16 — специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15 и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.
Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем — невращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка
При бурении с забойным двигателемдолото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна — к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса двигателя, который гасится невращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).
Буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления) 19 в стояк — трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг (рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.
В настоящее время применяют три вида забойных двигателей — турбобур, винтовой двигатель и электробур (последний применяют крайне редко).
При бурении с турбобуром или винтовым двигателем гидравлическая энергия потока бурового раствора, двигающегося вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу забойного двигателя, с которым соединено долото.
При бурении с электробуром электрическая энергия подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны и преобразуется электродвигателем в механическую энергию на валу, которая непосредственно передается долоту.
Источник
Ударно-механическое бурение
Ударно-механическое бурение разделяется на два основных вида: штанговое и канатное. Однако на практике применяется почти исключительно канатное бурение по следующим причинам: все канатное оборудование, в том числе и станок, легче штангового; на канате быстрее проводятся спуско-подъемные операции; не требуется организация промывки забоя, исключается высокая аварийность при работе со штангами. Поэтому в рассмотрении упор сделаем на канатное бурение.
Ударно-механическое канатное (т. е. без промывки) бурение применяется в следующих случаях:
1) при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, когда бурение ведется с целью точного опробования россыпи в осложненных геологических условиях;
2) при проходке галечников и валунных отложений, когда другие виды бурения в таких условиях дают весьма низкую производи-тельность;
3) при разведке малодебитных безнапорных водоносных горизонтов, ибо при бурении с промывкой их легко пропустить;
4) при разведке нефтяных и газовых с малым пластовым давлением месторождений (по указанным выше причинам);
5) в условиях, когда требуется проходка скважин большого диаметра и без промывки;
6) при разведке в безводной местности;
7) при разработке открытым способом месторождений полезных ископаемых, когда проходятся скважины-шпуры диаметром до 300 мм для закладки больших количеств ВВ (взрывчатых веществ).
Буровые станки
В каждом станке для канатного ударно-механического бурения имеются следующие узлы: 1) главный или трансмиссионный вал, получающий вращение от двигателя и передающий вращение другим узлам; 2) долбежный вал (ударный механизм) с оттяжным роликом; 3) инструментальный барабан (подъемный механизм); 4) желоночный барабан.
Передача движения от главного вала осуществляется или зубчатыми шестернями, или фрикционными колесами.
Движение от двигателя внутреннего сгорания или электродвигателя главному валу производится плоскоременной или клиноременной передачей.
Станки изготовляются передвижными и самоходными, на колесном или гусеничном ходу, а также на шасси автомашины. Для спуско-подъем-
ных операций станки имеют мачту.
По системе ударного механизма станки разделяются на балансирные и безбалансирные, работающие по принципу оттяжки.
Ударный снаряд подвешивается на канате, который через головной ролик (на мачте), оттяжной ролик (на кривошипно-шатунном механизме) и направляющий ролик (на оттяжной раме) идет к инструментальному барабану.
Снаряд при долблении поднимается и сбрасывается при помощи оттяжного механизма, который состоит из оттяжной рамы и кривошипно-шатунного механизма.
По мере углубления скважины бурильный канат стравливается с инструментального барабана, осуществляя подачу долота.
Периодически осуществляют чистку забоя желонкой, спускаемой на желоночном канате с желоночного барабана.
Чтобы получить скважину круглого сечения, необходимо после каждого удара инструмент (долото) поворачивать
Если в разрезе есть неустойчивые породы, стенки скважин закрепляют колонной обсадных труб. Тяжелые комплекты труб спускают в скважину с трубного (талевого) барабана (есть на ударно-канатных станках тяжелого и среднего типов)
Кроме того, станок часто имеет ручную или механическую лебедку для подъема и опускания мачты. Мачта при перевозках станка кладется в горизонтальное положение.
На буровых работах применяются следующие канатные станки:
УА-75, «Уралец» БУ-1, БУ-20-2, УКС-20. УКС-22, УКС-30 и др.
Ударно-канатные станки имеют примерно следующую основную характеристику: число ударов 40–60 в минуту, ход инструмента (высота подъема) 50–110 см; путем перестановки пальца кривошипа можно изменять ход инструмента.
Станок БУ-20-2 (самоходный), имеющий значительное распространение, имеет следующие характеристики:
· предназначен для бурения скважин начальным диаметром до 300 мм, глубиной – до 300 м;
· вес бурового снаряда 1300 кг;
· высота подъема над забоем –0,45–1,1 м;
· число ударов – 56 в минуту;
· высота мачты 11,6 м;
· вес станка 11,1 т.
Буровой инструмент
Долота предназначены для разрушения породы при ударах по забою. Различают следующие типы долот:
1) тяжелое желобчатое долото, предназначаемое для бурения в крепких породах; во избежание заклинки диаметр лезвия должен быть больше диаметра тела долота;
2) облегченное долото (от предыдущего отличается только меньшей высотой и толщиной и, следовательно, меньшим весом);
3) округляющее или проверочное долото – применяется для обработки скважин с целью уничтожения всех пропусков и неровностей на стенках затрудняющих в дальнейшем спуск в скважину обсадных труб;
4) крестовые долота – применяются при бурении в неоднородных и трещиноватых породах.
Долота изготавливаются из качественной углеродистой стали с содержанием углерода около 0,70 %. Наилучших результатов можно достичь при использовании долот из стали марки 60-С2; долота из легированных сталей не выдерживают частых заправок. Вместо кованых могут с успехом применяться литые долота.
Лезвию долота придается надлежащая форма, и оно закаливается; угол приострения (заправки) лезвия 75–120°, округляющих долот – до 140°. Чем крепче порода, тем более тупой угол должно иметь лезвие.
Ударная штанга представляет собой массивный цилиндр, на нижнем конце которого имеется внутренняя остроугольная резьба под долото, а на верхнем конце – внешняя резьба под канатный замок при канатном бурении и под переходник с ударной штанги на рабочие штанги при штанговом бурении. На обоих концах штанги имеются квадраты под инструментальные ключи. Ударная штанга предназначается для увеличения веса (массы) инструмента, воздействующего на забой. Диаметр ударной штанги обычно равен 0,7 диаметра долота Длина ударных штанг 1,5; 3; 4,5 и 6 м. Чем крепче порода, тем более длинная и тяжелая рекомендуется ударная штанга.
В состав бурового снаряда при проходке с ходовой колонной обсадных труб входит часто расширитель.
Расширитель включается между долотом и ударной штангой. При вводе в обсадные трубы резцы сжимают. При выходе ниже башмака резцы расширителя под действием пружины расходятся и при бурении расширяют скважину, поэтому обсадные трубы легче опускаются.
Ножницы, или яссы, при канатном бурении служат для выбивания инструмента из забоя, для облегчения работы станка и двигателя и для увеличения эффекта удара долота. Ножницы состоят из двух удлиненных звеньев и соединяются между собой, как звенья цепи. На верхнем конце верхнего звена имеется головка с резьбой для соединения с канатным замком; нижний конец звена заканчивается внутренней резьбой под ударную штангу.
Ножницы применяются двух видов: рабочие с расходом 150–250 мм и ловильные с расходом 450–1000 мм.
Изготовляются ножницы путем поковки или литьем.
Канатный замок или ропсакет служит для соединения ножниц (или ударной штанги) с инструментальным канатом. Замок представляет собой цилиндрическое тело, сужающееся кверху и оканчивающееся цилиндром меньшего диаметра. Внизу замка имеется внутренняя нарезка под буровой инструмент, а вверху – отверстие, расширяющееся книзу; в этом отверстии и закрепляется канат.
Как замок, так и ножницы и ударная штанга на шейках резьбы имеют квадратные вырезы под инструментальные ключи.
В качестве инструментального каната применяется стальной канат, свитый из шести прядей вокруг центрального органического сердечника. Диаметр каната 19–25 мм.
Инструментальные ключи служат для прочного соединения бурового инструмента (долота, ударной штанги, ножниц замка).
Для более сильного закрепления резьбы применяют цепные рычаги и специальные трещотки.
Цепной рычаг снабжается двумя кусками цепей, которые одним концом прикреплены к рычагу, а вторым – к вилкам инструментальных ключей во время соединения снаряда.
Трещотка применяется для тех же целей, что и цепной рычаг, только для соединения инструментов большого диаметра (более 8″)[2].
Долотами только разрушают породу на забое, но не поднимают на поверхность. Эту операцию выполняют с помощью желонок, представляющих собой полую трубу, на нижнем конце которой закреплен башмак с клапаном. Желонки для чистки скважины при работе долотом без промывки применяются с плоскими, шаровыми, тарельчатыми и полусферическими клапанами; для проходки плывунов используются поршневые желонки.
Желонки могут быть использованы в качестве проходческого инструмента, например по пескам, гравийно-песчаниковым отложениям, плывунам.
Процесс бурения
Последовательность операций при сооружении скважины ударно-механическими станками обычно такова: на месте заложения скважины подготовляется площадка (иногда проходится небольшой шурф-приямок), на площадке устанавливается буровой станок, колеса его раскрепляются колодками. Далее поднимается мачта. После этого собирают буровой инструмент в такой последовательности (снизу вверх): на долото навинчивается ударная штанга, на последнюю ножницы и, наконец, канатный замок.
Собранный снаряд опускают в скважину и ставят долото на забой; оснастка каната должна быть следующей: канат от замка огибает верхний блок мачты или вышки, далее идет под оттяжной ролик и, огибая направляющий ролик, идет к барабану.
Натяжка каната должна быть такой, чтобы при верхнем положении оттяжного ролика долото только слегка касалось забоя. На канате, идущем из скважины, крепится поворотный хомут. Далее пускается в ход двигатель и главный вал, от главного вала – долбежный механизм. После каждого удара долото поворачивается.
После углубки на 30–50 см бурение прекращается, инструмент поднимается на поверхность, и в скважину опускается желонка; после чистки скважины в нее подливается вода и снова приступают к бурению.
Скорость проходки при ударном бурении зависит oт веса снаряда, высоты подъема инструмента и числа ударов. Высота подъема долота обычно находится в пределах 500–1000 мм. Число ударов при малых глубинах скважины достигает 50–60 в минуту; по мере углубки скважины число ударов снижается до 30 в минуту. Число ударов зависит также от величины хода инструмента и плотности шлама. Чем больше ход инструмента, тем больше время его падения, и тем меньше должно быть число ударов. При глубоком бурении и большой длине достаточно эластичного каната он может подхватывать долото раньше, чем последнее успеет ударить о забой, что резко снижает силу удара.
В случае проходки пород, в которых сильно увязает долото, над ножницами ставят вторую ударную (выбивную) штангу.
По буримости при ударно-механическом способе бурения породы разбиты на семь категорий. Скорость проходки в час чистого бурения в зависимости от крепости пород варьирует от 0,05 до 7 м.
8.3. Шнековое и вибрационное
бурение
Шнековое бурение применяют в основном для бурения сейсмических скважин. Шнековое бурение производится без промывки забоя. Порода, разбуренная лопастным долотом типа РХ, попадает на шнек (шнек представляет собой буровые трубы с навитой на них спиралью из полос тонкой стали), который транспортирует ее на поверхность. Поскольку диаметр шнека меньше диаметра долота, шлам, направляясь вверх и тесно соприкасаясь со стенками скважины, частично проскальзывает вниз; шнеки втирают разрыхленную породу в стенки скважины, и таким образом скважина плотно штукатурится. Основной недостаток шнекового бурения – трудность бурения твердых пород, а также скважин глубиной более 100 м.
Вибрационное бурение с использованием вибромолота, расположенного на поверхности (на оголовке бурильной колонны) применимо в мягких породах до IV категории буримости на относительно небольшую глубину (до 15–20 м) для погружения и извлечения зондов, обычно при инженерно-геологических исследованиях.
Забойные вибраторы гидравлического действия, действующие от потока промывочной жидкости, создают вибрацию, которая передается долоту. Порода разрушается под действием ударов долота по забою. Кроме вибраций, долоту может передаваться вращение. Оно осуществляется путем вращения бурильных труб с поверхности. В этом случае получается комбинация ударного и вращательного способов бурения. Для бурения скважин применяются также различные гидро- и пневмоударные механизмы, в этом случае говорят о бурении гидро- и пневмоударниками, пневмопробойниками и т. д.
9. 
бурение скважин на воду
При проходке скважин на воду могут применяться любые из рассмотренных выше видов бурения. Поэтому ниже излагаются специфические требования к гидрогеологическим и водозаборным скважинам и особенности их проведения.
В зависимости от того, где будет использоваться вода, к ней предъявляются те или иные требования. Так, подземные воды, используемые для водоснабжения и орошения, питьевые воды не должны содержать в растворенном виде заметного количества солей различных элементов. С другой стороны, воды со значительным содержанием таких элементов, как радий, йод, бром и др., могут служить источником добычи этих элементов. Подземные минеральные воды являются одним из важных лечебных средств. Горячие и перегретые воды находят применение для теплофикации городов, обогревания теплиц, для выработки электроэнергии.
Однако не всегда наличие подземных вод является положительным фактором. В ряде случаев они весьма осложняют строительство гидротехнических сооружений, проходку горных выработок, эксплуатационные работы: прорывы вод в горные выработки влекут за собой катастрофические последствия. Поэтому на сильно обводненных месторождениях до начала горных работ проводят дорогостоящие мероприятия по снижению напора подземных вод и по предотвращению обводнения горных выработок.
9.1. Особенности бурения скважин
на воду
Источник
