Классификация способов разрушения горных пород при бурении шпуров и скважин
По характеру разрушения горных пород — бурения шпуров и скважин делятся на механические, физические и комбинированные способы.
Механические разделяют на ударный, вращательный, вращательно-ударный и ударно-вращательный способы бурения шпуров и скважин.
При ударном бурении, разрушение горных пород происходит в результате последовательных ударов по забою инструментом. Ударное разрушение горных пород осуществляется отбойными молотками, которые применяются при дроблении негабаритных кусков горных пород.
Принцип действия бурильных перфораторов, тоже относят к ударному действию. Разрушение горных пород происходит в результате ударов по забою шпуров, совершающих вращательно-поступательное движение. Перед каждым последующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая тем самым, разрушения по всей площади забоя. Бурильными перфораторами осуществляются бурения шпуров и скважин диаметром 32-85 мм. Марки бурильных молотков ПР-19, ПР-20Н, ПР-22, ПР-24МВ, ПР-25Л, ПП-36, ПП-54.
При вращательном способе бурения, разрушение горных пород осуществляется за счет осевых давлений инструмента и резца. Разрушенная горная порода — буровая мелочь, выдаётся на земную поверхность спиральными шнековыми штангами. Вращательный способ бурения применяется для бурения скважин в породах мягких и ниже средней крепости VII категории по СНиП и менее при разработке карьеров строительных материалов и строительстве ирригационных объектов. Основным недостатком данного способа является относительно невысокий уровень механизации вспомогательных операций.
Промышленность выпускает три типа станков шнекового бурения: СВБ-2М, 1СБР-125, СБР-160 и их модификации.
Станки шнекового бурения, основные технические характеристики вращательного бурения приведены в табл. 1, которые широко применяются (до 16% объема буровых работ), для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 125-160 мм и глубиной до 25м в породах с f=2÷6, главным образом, на угольных карьерах (уголь, аргиллиты, мягкий известняк) и на карьерах стройматериалов (мергель, щебень и др.). Их производительность составляет 100-150 м/смену. Станки характеризуются простотой конструкции и эксплуатации, при их работе обеспечиваются благоприятные санитарно-гигиенические условия.
Станок СБР-160А-24 оснащен мачтой высотой 12 м, что позволяет использовать шнеки длиной 8,4 м, подача штанг и разборка става механизированы, предусмотрены гидравлическая подача бурового става, гидроцилиндры подъема и опускания мачты.
Станок имеет ходовую часть ХГ-30 гусеничного типа с электроприводом, буровой став вращается от трехскоростного асинхронного двигателя через редуктор. На станке
Станок СБР-160Б-32 создан на базе станка СБР-160А-24, налажен его серийный выпуск. Эта модель отличается большей глубиной бурения, для чего применена кассета, установленная снаружи мачты. Станок имеет кабельный барабан.
Гидрофицированный буровой станок 2СБР-160-24 создан взамен СБР-160А-24. На станке используются укороченные шнековые штанги длиной 4 м с резьбовыми соединениями, что позволяет полностью механизировать процесс сборки-разборки става. Подача и вращение става осуществляются от гидродвигателей. Привод гусеничного хода типа ХГ-18 осуществляется от асинхронных электродвигателей через редуктор.
Станок СБР-200-32 (48) имеет аналогичную 2СБР-160-24 конструкцию, оснащен кабельным барабаном, системами автоматизации и диагностики. Станок может бурить резцовыми и шарошечными долотами, для этого предусмотрено подключение прицепного компрессора.
Станки шарошечного бурения скважин, получили наибольшее распространение на карьерах в породах практически всех категорий крепости, технические характеристики шарошечных станков приведены в табл. 2, которые получили наибольшее распространение (более 80 % объема буровых работ) для бурения скважин диаметром 190-320 мм и глубиной до 35 м в породах с f = 6¸16. Основные их достоинства – высокая производительность (150-200 м/смену), непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации, комфортные условия труда.
Станки вращательного бурения типа СБШ предназначены для бурения взрывных скважин на открытых горных разработках в сухих и обводненных, монолитных и трещиноватых породах. устанавливается компрессор для комбинированной шнеко-воздушной очистки скважины. Управление станком – из кабины, размещенной в передней части станка.
Техническая характеристика станков вращательного бурения
Источник
Способы разрушения пород при бурении
Разрушение горных пород при бурении происходит за счет воздействия на горную породу забоя скважины физических, электрических, электрофизических, тепловых, акустических, кавитационных, плазменных, лазерных полей и др.
Передача энергии на породу забоя может осуществляться через породоразрушающий инструмент или напрямую, формируя при этом ствол скважины. Преобладающим в настоящее время при бурении является механический метод воздействия на породу забоя скважины породоразрушающими инструментами в виде коронок, буровых долот бурильных головок.
Механический метод разрушения породоразрушающими инструментами имеет мною разновидностей в зависимости от условий бурения и поставленных целей при сооружении скважины. В мягких и рыхлых горных породах производительность вращательного и ударно-вращательного бурения в значительной степени определяется интенсивностью удаления продуктов разрушения горной породы.
В случае необходимости получения качественного керна используют буровые снаряды с комбинированной (прямой и обратной) промывкой. Обратную промывку при вращательном бурении используют при сооружении высокодебитных скважин на воду. При бурении в поглощающих разрезах применяют бурильные колонны, составленные из двойных труб, в которых подача раствора газожидкостной смеси (ГЖС) осуществляется по межтрубному зазору.
При ударном бурении разрушение породы осуществляют нанесением ударов забойного породоразрушающего инструмента.
Вращательный способ разрушения – путем «резания» породы породоразрушающим инструментом при одновременном воздействии на нее осевого усилия.
Ударно-вращательное разрушение пород предусматривает наложение на вращательный способ ударных импульсов, передаваемых на породоразрушающий инструмент с поверхности или с помощью забойных машин (гидро- и пневмоударников).
Гидромеханическое бурение, основанное на разрушении горных пород высоконапорными водяными струями, применяют исключительно в мягких и рыхлых породах. Использование гидромониторных насадок, обеспечивающих скорость истечения жидкости в пределах 80-120 м/с, применяется при вращательном бурении долотами лопастного и шарошечного типа.
Вибрационное разрушение горных пород, осуществляющееся за счет периодических вертикальных перемещений породоразрушающего инструмента, используют в мягких и рыхлых горных породах.
При термическом (огневом) способе разрушение породы происходит за счет высокотемпературного теплового воздействия. Сгорание керосина с кислородом создает на забое температуру 2300°С, в результате чего происходит отслаивание чешуек и растрескивание массива породы. Огневое бурение применяют при бурении взрывных скважин на карьерах; производительность бурения в крепких породах при этом способе достигает 30 м/смену и выше.
В мягких и рыхлых породах используют также метод статического вдавливания породоразрушающего инструмента (индентора), при котором порода спрессовывается и выдавливается из-под индентора в сторону. Данный метод используют при инженерно-геологических исследованиях.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
Механическое разрушение горных пород при бурении скважин осуществляется специальными породоразрушающими инструментами. Объем разрушенной горной породы в единицу времени V непосредственно связан с мощностью N, подводимой к забою скважины:
(VII. 1)
где Av — энергоемкость разрушения горной породы. Применительно к скважине можно записать, что
(VII. 2)
где v — скорость проходки скважины; F — площадь забоя.
Приравняв правые части уравнений (VII. 1) и (VII.2) и сделав преобразования, получим
(VII.3)
Обозначим N/F= No и назовем удельной забойной мощностью. Тогда окончательно получим, что
(VII.4)
т. е. скорость проходки прямо пропорциональна удельной забойной мощности и обратно пропорциональна энергоемкости разрушения горной породы.
Мощность N ограничена прочностью бурильного инструмента. Наиболее эффективно подведенная к забою мощность будет реализована таким породоразрушающим инструментом и при таком режиме его работы, которые обеспечат минимальную величину Av.
Непосредственно порода разрушается вооружением породораз-рушающих инструментов, которое выполнено либо в виде резцов, либо в виде инденторов. При рассмотрении разрушения горных пород динамическим вдавливанием штампа было показано, что Av тем меньше, чем больше номер достигнутого скачка разрушения породы.
Этот принцип справедлив и для других видов разрушения. Но чем больше номер скачка, который мы стремимся получить, тем выше удельные нагрузки на элементы вооружения, т. е. достижимый скачок разрушения породы объективно ограничен прочностью и износостойкостью породоразрушающего инструмента. Обозначим NB удельную мощность, которая может быть реализована вооружением. Тогда из условия N-const найдем Долю площади забоя, на которой в данный момент эффективно реализуется подведенная мощность:
где Fк — площадь контакта вооружения с забоем. Величина ξ много меньше единицы. Из изложенного выше вытекает первый основной принцип механического разрушения горной породы на забое — дискретность разрушения с целью получения минимально возможной энергоемкости процесса.
Нежелательно, чтобы в процессе бурения резко изменялась величина ξ, так как снижение удельной мощности, реализуемой вооружением, ведет к уменьшению скорости разрушения породы, а повышение — к возможным поломкам или резкому уменьшению долговечности вооружения. Следовательно, в процессе бурения Необходимо стремиться, чтобы NB=const. Это условие при механическом разрушении горных пород можно выполнить лишь при равномерном углублении скважины в результате последовательного разрушения всей площади забоя. Отсюда вытекает второй основной принцип — последовательное разрушение забоя с целью равномерного углубления скважины и обеспечения максимальной производительности породоразрушающего инструмента.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДОЛОТ
Породоразрушающие инструменты по основным функциям делятся на три большие группы:
1) для бурения сплошным забоем — долота;
2) для бурения кольцевым забоем с образованием образцов-породы (кернов) — бурильные головки и коронки;
3) вспомогательный инструмент-пикообразные долота, фрезеры калибраторы, расширители и др.
Первую и вторую группы инструментов по характеру воздействия вооружения на горную породу делят на четыре подгруппы:
режуще-скалывающего (PC), истирающе-режущего (ИР), дробяще-скалывающего и дробящего действия.
Породоразрушающие инструменты типов PC и ИР характеризуются выполнением вооружения в виде резцов или секторов оснащенных износостойкими материалами, длительным контактом вооружения с горной породой и деформированием ее по схеме резания, скалывания или истирания.
Породоразрушающие инструменты дробяще-скалывающего действия характеризуются размещением вооружения в виде инденторов на вращающихся деталях — шарошках, кратковременным периодическим динамическим воздействием каждого индентора на горную породу по схеме вдавливания со сдвигом.
Инструменты первой, второй и третьей подгрупп широко применяются при бурении скважин на нефть и газ при вращательном способе бурения. Инструменты четвертой подгруппы предназначены для ударного бурения, которое в настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин практически не применяют.
Возможность применения той или иной подгруппы инструментов обусловлена механическими свойствами пород и прежде всего их твердостью. Кроме этого, в пределах каждой подгруппы инструменты имеют особенности в зависимости от того, для пород какой твердости они предназначены. Это нашло отражение в классификации инструментов по типам.
Категория твердости пород
 |
Из приведенных данных видно, что породоразрушающие инструменты, в частности долота типа М (для мягких пород), выполняются всех трех подгрупп, типа С (для средних пород) и типа Т (для твердых пород) — второй и третьей подгрупп, а типов К (для крепких пород) и типа ОК (для очень крепких пород) —только третьей подгруппы. Следует подчеркнуть, что шарошечными долотами (третьей подгруппы) осуществляется около 90% объема бурения на нефть и газ; кроме того, долота типов К и ОК по характеру воздействия на породу близки к долотам дробящего действия.
ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДОЛОТ
Режим работы долот для вращательного бурения скважин принято характеризовать следующими параметрами: осевой нагрузкой на долото, кН; частотой вращения долота, об/мин; количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых в скважину в единицу времени для выноса разрушенной породы (шлама) и охлаждения долота, л/с.
При нагружении долота осевой нагрузкой G создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою.
По частоте вращения долота различают три режима работы: низкооборотный (роторное бурение) — nд
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Способ бурения при механическом разрушении горных пород
Классификация способов бурения на нефть и газ приведена на рис. 2.
По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой 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.
Механические способы бурения подразделяются на ударное и вращательное.
Рис. 2. Классификация способов бурения скважин на нефть и газ
При ударном бурении разрушение горных пород производится долотом 1, подвешенным на канате (рис. 3). Буровой инструмент включает также ударную штангу 2 и канатный замок 3. Он подвешивается на канате 4, который перекинут через блок 5, установленный на какой-либо мачте (условно не показана). Возвратно-поступательное движение бурового инструмента обеспечивает буровой станок 6.
1 — долото; 2 — ударная штанга; 3 — канатный замок;
4 — канат; 5 — блок; 6 — буровой станок.
По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы.
Для очистки забоя от разрушенной породы буровой инструмент периодически извлекают из скважины, а в нее опускают желонку, похожую на длинное ведро с клапаном в дне. При погружении желонки в смесь из жидкости (пластовой или наливаемой сверху) и разбуренных частиц породы клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. При подъеме желонки клапан закрывается и смесь извлекается наверх.
По завершении очистки забоя в скважину вновь опускается буровой инструмент и бурение продолжается.
Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают обсадную трубу, длину которой наращивают по мере углубления забоя.
В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин ударное бурение в нашей стране не применяют.
Нефтяные и газовые скважины сооружаются методом вращательного бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.
Турбобур — это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой в скважину промывочной жидкости. Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности. Винтовой двигатель — это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.
По характеру разрушения горных пород на забое различают сплошное и колонковое бурение. При сплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя. Колонковое бурение предусматривает разрушение пород только по кольцу с целью извлечения керна — цилиндрического образца горных пород на всей или на части длины скважины. С помощью отбора кернов изучают свойства, состав и строение горных пород, а также состав и свойства насыщающего породу флюида.
Все буровые долота классифицируются на три типа:
Источник
