Сущность ударного способа бурения

Способы ударного бурения

Способы ударного бурения, применяемые в строительстве

Ударным называется метод механического бурения путем создания разрушающего усилия, возникающего от ударов падающего снаряда, сбрасываемого в забой скважины. Ударный импульс падающего снаряда разрушает (дробит, раздавливает, рыхлит) грунт. В основном ударное бурение используется в рыхлых и мягких грунтах с обломочными включениями, а также замерзших грунтах и скальных породах глубиной до 100 м и более.

Разновидностями ударного бурения являются ударно-канатное бурение, при котором движение, производимое станком, сообщается породоразрушающему инструменту при помощи каната и ударно-штанговое, при котором, соответственно, используются штанги. Однако все чаще под термином ударного бурения подразумевают именно ударно-канатное, так как на практике оно получило большее распространение.
К числу основных достоинств ударно-канатного бурения можно отнести его простоту, универсальность, возможность применения в различных природно-климатических условиях, отсутствие ограничений по температуре и, фактически, по глубине бурения. Недостатками же его являются большая трудо- и энергоемкость, относительно низкая производительность и высокая стоимость работ.

Ударно-канатное бурение сплошным забоем используют, как правило, при создании скважин для получения воды или разведки месторождений полезных ископаемых, а также для сооружения водопонизительных скважин. Средняя глубина бурения составляет диапазон от 50 до 100 метров, однако может достигать и 300 метров, диаметр скважины составляет 15 — 85 сантиметров.
При бурении сплошным забоем грунт разрушается при помощи снаряда, который состоит из долота (плоского с клинообразным лезвием — для мягких, двутаврового — для вязких, крестового и пирамидального — для твердых пород), ударной штанги, ножниц и канатного замка, закрепляющего конец каната. Снаряд весит порядка 500-2500 кг и сбрасывается с высоты 0,3 — 1 м с частотой 45-60 ударов в минуту. При подъеме снаряд поворачивается на угол 20 — 50° для того, чтобы обеспечить эффективную обработку по всей площади скважины (забоя). Если грунт слишком сухой, его увлажняют, подливая на забой скважины воду. Освободившийся грунт регулярно извлекают из забоя с помощью обычной или поршневой желонки, как правило, это делается после разрушения участка длиной от 0,2 до 0,6 метров. Поршневая желонка может также использоваться для бурения путем забивания в песках или галечниках.

Ударно-канатное бурение кольцевым забоем применяется при геологических исследованиях, разведке и поиске месторождений полезных ископаемых. Средняя глубина скважины составляет 15 — 30 метров при диаметре 7,3 — 27,3 сантиметра.
Ударное бурение кольцевым забоем происходит при помощи сбрасывания на отверстие скважины, то есть забивки в грунт — грунтоносов (забивных стаканов). Снаряд внедряется в грунт на глубину 0,1 — 0,2 метра (при использовании бойка с ударной штангой, снаряд забивается с частотой около 45 ударов в минуту). Ударная часть снаряда весит порядка 100-500 килограмм.

Ударное бурение двойными концентрическими бурильными трубами позволяет получить скважины глубиной в среднем глубиной 15 -30 метров, но может достигать и 100 метров, диаметр их составляет от 14 до 50 сантиметров. Этот способ применяется при разведке месторождений природных ископаемых и при строительных работах. Двойные концентрические бурильные трубы вбиваются в грунт, как правило, дизельным молотом. Порода разрушается при помощи кольцевого башмака с резцами из твердых сплавов. Извлечение породы из забоя происходит за счет подачи сжатого воздуха в зазор, образованной разницей диаметров наружной и внутренней труб. Данный способ бурения позволяет достичь скорости 5 — 30 метров в час.

Источник

Ударное бурение

Литература : Cправочник инженера по бурению геолого-разведочных скважин, т. 1-2, M., 1984.

B. Г. Kардыш.

Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под редакцией Е. А. Козловского . 1984—1991 .

Полезное

Смотреть что такое «Ударное бурение» в других словарях:

ударное бурение — ударно канатное бурение — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы ударно канатное бурение EN jump drilling … Справочник технического переводчика

Ударное бурение — процесс проведения шпуров и скважин путём ударного разрушения горной породы внедряющимся инструментом, рабочие лезвия которого, как правило, имеют форму клина (см. ст. Бурение). Ударно канатное бурение вертикальных (взрывных, разведочных … Большая советская энциклопедия

Ударное бурение — ► jump drilling, percussion drilling Способ бурения, при котором разрушение пород в забое достигается ударами долота, соединенного с ударной штангой. В настоящее время не применяется, заменено гораздо более рациональным вращательным бурением … Нефтегазовая микроэнциклопедия

ударное бурение с большой частотой ударов — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN rapid blow drilling … Справочник технического переводчика

ударное бурение с погружным пневмоударником — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN downhole percussion drilling … Справочник технического переводчика

ударное бурение с промывкой — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN hydraulic percussion drillinghydraulical percussion drilling … Справочник технического переводчика

ударное бурение скважины способом свободного падения долота на забой — (при каждом ходе балансира) [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN Canadian free fall … Справочник технического переводчика

Вращательно-ударное бурение — (a. rotary percussion drilling; н. Drehschlagbohren; ф. forage rotopercutant; и. sondeo por rotacion percusion) процесс разрушения породы при бурении шпуров и скважин прижатым к забою c большим осевым усилием и непрерывно вращающимся… … Геологическая энциклопедия

Источник

Ударное бурение

Ударное бурение может применяться в следующих случаях:

— при разведке россыпных месторождений;

— проведение взрывных работ;

— бурение скважин на воду;

— при галечниках и валунных отложениях;

— проведение геологической разведки;

— разведка в безводных местностях;

— с целью водопонижения, вентиляции.

Ударное бурение может производиться ручным способом, механизированным — с использованием специальных буровых установок. Таким способом можно бурить скважины глубиной до 500 м.

Существуют два метода ударного бурения:

Бурение сплошным забоем происходит с использованием долот типа крестовые, плоские, двутавровые, а также желонок и грейферов. Бурение с помощью долот и желонки описано в статье «Ручное бурение«.

Способ бурения грейфером имеет название — ударно-захватное бурение. Используется одноканатный грейфер весом около 500 кг. Грейфер опускается в скважину, затем с высоты около 2 метров сбрасывается на забой. Челюсти грейфера внедряются в породу, при подъеме закрываются. Закрытый грейфер с породой поднимается на поверхность.

Бурение кольцевым забоем осуществляется грунтоносами и забивными стаканами. Этот вид бурения применим в случаях, когда необходимо получить детальную информацию по геологическому разрезу скважины.

Бурение кольцевым забоем в свою очередь делится на забивное и «клюющее«.

Бурение клюющим способом происходит следующим образом. Буровой инструмент в компановке с утяжеленной штангой сбрасывается на забой. При ударе инструмент внедряется в породу на 100-300 мм. После падения и удара инструмент извлекается на поверхность для очистки от породы и следующего сбрасывания

При бурении забивным способом инструмент заглубляется в породу с помощью ударов по нему специальным ударным патроном. Глубина захода инструмента в породу зависит от количества ударов и свойств породы и может колебаться от нескольких сантиметров до одного метра и более.

Ударное бурение является простым но трудозатратным. Сам способ изначально ограничен в своем развитии и на сегодняшний день все больше вытесняется другими, более технологичными видами бурения.

Источник

Способы бурения, ударное и ударно-вращательное бурение скважин

1. Назначение и способы бурения

В строительстве буровые работы применяются главным образом при инженерно-геологических изысканиях, разработке взрывным способом скальных или рыхлении мерзлых грунтов, устройстве водопонижающих скважин, искусственном закреплении грунтов, устройстве набивных свай.

С помощью бурения в грунте образуются каналы различного диаметра и глубины. Каналы диаметром до 75 мм и глубиной до 5-6 м принято называть шпурами, при больших размерах – скважинами.

Они могут быть вертикальными, наклонными и горизонтальными.

Дно скважины (шпура) называют забоем, верхнюю часть – устьем, боковые поверхности – стенками. Буровые работы производят, как правило, с использованием механического оборудования. При небольшой глубине бурения и незначительных объемах работ допускается применение ручного бурового инструмента.

Трудоемкость бурения породы характеризуется временем чистого бурения 1 м скважины (шпура) и зависит от крепости породы.

Крепость породы характеризуется коэффициентом крепости f.

Коэффициент f равен:

• для мягких пород – 0,8…2;
• для средних – 3…4;
• для крепких – 5…10,
• для очень крепких – 15…20.

По характеру разрушения горных пород способы бурения подразделяются на две группы:

• механические – бурение породоразрушающими инструментами, непосредственно воздействующими на породу;
• немеханические – бурение с использованием физико-химических методов разрушения горных пород без непосредственного контакта источника воздействия с породой.

При производстве буровых работ наибольшее распространение получили механические способы бурения:

• вращательный,
• ударный,
• вибрационный,
• ударно-вращательный.

Разрушенный грунт (шлам) удаляют из скважин глинистым раствором или водой, струей сжатого воздуха, шнековыми устройствами, желонками и другими приспособлениями, выбираемыми в зависимости от способа бурения, глубины скважины и рода грунта.

Стенки скважин в слабых, рыхлых и насыщенных водой грунтах крепят стальными обсадными трубами. Колонны обсадных труб составляют из звеньев длиной 1,5…4,5 м, соединяемых между собой муфтами, ниппелями или свинчиванием (труба в трубу). Внутренний диаметр труб принимают на 4…6 мм больше диаметра бурового инструмента. Для облегчения опускания колонны обсадных труб на нижнее их звено устанавливают коронку, а для защиты нарезки от ударов на верхнее звено обсадной трубы – патрубок.

К немеханическим способам относят:

• термический,
• взрывной,
• гидравлический,
• электрогидравлический,
• магнитострикционный,
• плазменный.

Из немеханических способов практическое значение в настоящее время имеет термический (огневой) способ. Область применения такого или иного способа бурения определяется физико-механическими свойствами горных пород, а также минимальными затратами на бурение.

По характеру образования буровых выработок различают бурение сплошным забоем и колонковое.

При бурении сплошным забоем всю породу в скважине разрушают и удаляют в разрушенном виде.

При колонковом бурении разрушение породы происходит лишь по кольцевой поверхности забоя, а внутреннюю часть породы в виде цилиндра (керна) извлекают из скважины целиком. Колонковое бурение обычно применяется в разведывательных целях, так как оно позволяет исследовать породу ненарушенной структуры.

Технологический процесс механического бурения складывается из операций по разрушению породы, транспортированию породы на поверхность, обеспечению устойчивости стенок скважины и вспомогательных операций. Грунт в забое разрушают ударами, резанием, истиранием, сколом и комбинированным способом (например, ударновращательным). Буровой наконечник приводится в действие вращением, сбрасыванием (при подвеске на канате или штанге), принудительным внедрением в породу забивкой, вибрацией, вдавливанием и т. д.

Дальнейшее совершенствование буровых работ идет в направлении создания новых экономичных методов бурения, комплексной механизации и автоматизации процессов, оснащения буровых агрегатов гидроприводом и контрольно-измерительными приборами.

2. Бурение скважин ударным методом

Ударный способ заключается в том, что буровой снаряд массой 1000…3000 кг падает с определенной высоты в забой скважины и разрушает породу вследствие развивающейся при его падении силы удара. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, благодаря чему создаются условия для равномерного разрушения всей площади забоя скважины. Во время бурения в скважину периодически подают воду, и образовавшийся шлам вычерпывают желонкой.

Буровой станок, применяемый для ударного бурения, состоит из агрегата на гусеничном ходу, рамы, кабины, мачты с инструментальным и желоночным блоками, механизма свинчивания бурового снаряда, инструментальной и желоночной лебедок. Мачту поднимают и опускают ручной лебедкой. Ударным способом бурят скважины диаметром до 400 мм и глубиной до 200 м (рис. 1).

На буровом снаряде закрепляется рабочий инструмент (долота, стаканы или желонки). Сорвавшиеся части бурового снаряда извлекают ловильным инструментом. Принцип ударного бурения скважин используется в станках ударно-канатного бурения. Ударно-канатное бурение эффективно при проходке скважин в мерзлых грунтах, закарстованных породах и в породах с коэффициентом крепости f 3. Бурение скважин ударно-вращательным методом

Ударновращательное бурение применяют для бурения скважин диаметром 100…200 мм, глубиной до 30 м. При ударно-вращательном бурении породоразрушающий инструмент одновременно с усилиями, характерными для вращательного способа, испытывает динамические нагрузки, которые периодически и с большей частотой воздействуют на буровую коронку, что способствует повышению эффективности разрушения породы и резко уменьшает износ коронки по сравнению с вращательным бурением.

Особенность его состоит в том, что ударное действие и вращение бурового инструмента выполняются двумя независимо работающими механизмами – вращателем и погружным пневмоударником (рис. 2, 3).

Порода удаляется из скважины отработанным в пневмоударнике сжатым воздухом или потоком воды, нагнетаемой в скважину. Ударновращательный способ применяется при бурении крепких и трудноразрушаемых пород со значительной трещиноватостью.

Рис. 2 — Ударно-вращательное бурение

Рис. 3 — Ударно-вращательное бурение горных пород

К механизмам ударно-вращательного бурения относятся также пневматические бурильные молотки-перфораторы, используемые для бурения шпуров в породах любой крепости.

4. Способы вращательного бурения скважин

Для разрушения породы вращательным бурением применяют буровые наконечники, снабженные специальными коронками: алмазными, из твердых сплавов и др. Буровой наконечник приводится во вращение колонной штанг или труб, по которым на забой подается промывочная жидкость (рис. 4).

Основные виды вращательного способа бурения – роторное и шнековое, выполняемые с помощью самоходных установок (преимущественно) или станков. Применяют также электрические сверлильные машины.

Для устройства скважин в рыхлых породах наиболее часто в строительстве применяется роторное вращательное бурение сплошным забоем шарошечными и лопастными долотами (рис. 5). Режим роторного бурения определяется осевым давлением на долото, скоростью вращения и количеством подаваемой в скважину промывочной жидкости.

Рис. 4 — Станки и инструмент вращательного бурения: а) схема станка шнекового бурения; 1 – резец; 2 – платформа; 3 – лебедка; 4 – направляющая стойка; 5 – штанга с ребортой; 6 – электродвигатель; б) колонковый снаряд; 1 – кольцевая коронка; 2 – колонковая труба; 3 – переходная муфта; 4 – вращающаяся штанга станка; в) кольцевые коронки армированные;1 – резцы, армированные твердыми сплавами; 2 – алмазные резцы; г) схема станка роторного бурения; 1 – бурильная труба; 2 – лебедка; 3 – ротор; 4 – вертлюг; 5 – вышка; 6 – рабочая труба; 7 – соединительная труба; 8 – насос; 9 – бак с глиняным раствором; 10 – долото; д) рабочие наконечники; 1 – шарошечное долото; 2 – лопастное уступчатое долото; 3 – лопастное долото «рыбий хвост»

Осевое давление создается утяжелением нижних бурильных труб. Правильно подобранные утяжеленные трубы создают растягивающее усилие во всей колонне бурильных труб и обеспечивают большую жесткость нижней части колонны, что способствует уменьшению отклонений скважины от вертикали. Величина осевого давления должна меняться в процессе бурения в зависимости от характера проходимых пород и других причин. Для наблюдения за осевым давлением используются гидравлические индикаторы веса. Расход воды для промывки скважин при бурении шарошечными долотами составляет примерно 300…350 л/мин.

Рис. 5 — Схема установки роторного бурения: 1 – долото; 2 – бурильная труба; 3 – соединительная муфта; 4 – стол ротора; 5 – лебедка для подъема талевого блока; 6 – рабочая труба; 7 – вертлюг; 8 – крюк для подвешивания труб; 9 – талевый блок; 10 –шланг; 11 – желоб для возврата воды из скважиныв бак; 12 – бак; 13 – напорный трубопровод; 14 – насос с двигателем для подачи в скважину

Во избежание характерных для роторного бурения искривлений скважин ведут наблюдение за процессом бурения с помощью специального прибора, определяющего угол и азимут искривления. Роторное бурение чаще всего применяют для устройства скважин диаметром до 200 мм и глубиной до 50 м.

Колонковое бурение применяют для проходки скважин диаметром 45…130 мм и глубиной до 200 м. Колонковые станки имеют лебедку подъема трубчатых штанг и механизм для их вращения. На конце штанги находится рабочая часть – колонковый снаряд с кольцевой коронкой, армированной резцами из твердых сплавов или алмазами (рис. 6).

При вращении бурового снаряда колонка под действием осевого давления внедряется в породу, образуя кольцевую выработку породы вокруг керна, входящего в колонковую трубу. После проходки на необходимую глубину буровые штанги вместе с колонковым снарядом и керном поднимают лебедкой на поверхность.

Рис. 6. Схема установки колонкового бурения: 1 – резец; 2 – колонковая труба; 3 – трубчатая штанга; 4 – переводник; 5 – шпиндель; 6 – рычажное устройство для регулирования нагрузки на забой; 7 – шланг для подачи в скважину глинистого раствора; 8 – верх шланги; 9 – желоб для осаждения промывочного раствора; 10 – насос; 11 – двигатель; 12 – лебедка для подъема оборудования из скважины; 13 – шламовая труба; 14 – керн

В процессе бурения в забой скважины насосом через бурильные трубы подают глинистый раствор (или воду). Смешиваясь с частицами разрушенной породы, глинистый раствор выносит их на поверхность по кольцевому пространству между штангами и стенками скважины. Глинистый раствор охлаждает бурильный инструмент и одновременно предотвращает обрушение стенок скважины.

Шнековое бурение. Разрушение и траспортирование породы производятся шнеком, который составляется из штанг, имеющих приваренные по спирали реборды. Нижний конец шнека имеет специальное долото. Шаг спирали и скорость вращения шнека выбираются в зависимости от свойств породы.

Разрушенная порода будет легко продвигаться вдоль стенок скважины на поверхность, если сила, прижимающая породу к стенкам скважины, превышает силу трения породы о спираль шнека. По этой причине для бурения в липких и вязких глинах в скважину подливают немного воды, чтобы снизить силу трения между грунтом и поверхностью шнека. Плотные грунты следует бурить с меньшим числом оборотов шнека во избежание перегрева бурового наконечника. Вследствие того, что при шнековом бурении разрушение и транспортирование породы идут непрерывно (сплошным потоком), достигается высокая скорость проходки (рис. 7).

Рис. 7 — Шнековое бурение

Особо эффективен этот способ для бурения скважин диаметром до 250 мм на глубину до 50 м в грунтах II…IV категорий. Бурить скважины большого диаметра шнеками не удается вследствие возникновения чрезвычайно больших сил трения породы о поверхность шнека.

Для бурения неглубоких котлованов диаметром до 1700 мм под фундаменты, столбы и т. п. применяются бурильные машины цикличного действия, снабженные винтовым буром. Разрушение породы происходит при заглублении на высоту бура (1…1,5 захода винта). Грунт извлекается циклично лопастями бура (без вращения). Производительность подобной бурильной машины невысокая из-за цикличности работы и малого объема грунта, извлекаемого за один цикл. Степень влияния этих факторов усиливается с увеличением глубины проходки. Кроме того, конструктивные особенности серийно выпускаемых бурильных машин не позволяют увеличить глубину более 4…5 м.

Для проходки скважин диаметром до 1300 мм на глубину 30 м в неплотных грунтах целесообразно использовать буровые машины, снабженные цилиндрическим буром.

5. Физические способы образования скважин

Рассмотрим термический, гидравлический и электрогидравлический способы образования скважин. Термический способ применяют для бурения очень крепких пород с кристаллической структурой и рыхления мерзлых грунтов. Имеются передвижные станки термического бурения на гусеничном и автомобильном ходу и ручные термобуры. По производительности даже ручное термобурение в 10…12 раз эффективнее механических способов бурения (рис. 8).

Ручной термобур представляет собой металлическую трубку-кожух диаметром 30 мм, в которую вмонтирована реактивная горелка с форсункой, распыляющей керосин. Температура огненной струи, выбрасываемой термобуром, достигает 1800…2000 °С. Если для бурения не требуются такие высокие температуры, то вместо кислорода подводят сжатый воздух. Порода, нагреваясь, раскалывается на мелкие части, выбрасываемые струей газа наверх. Передвижными станками термического бурения можно бурить шпуры и скважины диаметром до 130 мм и глубиной до 8 м, а ручными термобурами — шпуры диаметром 60 мм и глубиной 1,5…2 м.

В мерзлых грунтах шпуры диаметром 50…70 мм и глубиной до 2 м бурят с применением горячего сжатого воздуха. Для бурения используют установку, состоящую из компрессора и калорифера. Сжатый воздух из компрессора, проходя через нагреватель, по шлангам поступает в калорифер. Струя сжатого воздуха, подогретого до 60…90 °С, по шлангу, имеющему перфорированный наконечник, подается в грунт, размораживает его и выбрасывает из шпура.

Рис. 8 — Схемы способов физического бурения: а) схема горелки: 1 – выход воды, 2 – подача кислорода, 3 – подача топлива, 4 – вода, 5 – корпус горелки, 6 – камера сгорания, 7 — упор, 8 — выход газовых струй; б) схема ручного термобура: 1 – насадка, 2 – камера сгорания. 3 – топливная трубка, 4 – щиток, 5 – штанги, 6 – воздушный кран, 7 – монометр, 8 – рукав для воздуха, 9 – топливный кран, 10 – рукав для топлива, 11 – редукционный клапан, 12 – топливный насос, 13 – топливный бак; в) схема гидравлического бурения: 1 – насосная установка для подачи воды, 2 – труба, 3 – обсадная труба, 4 – насадка

Гидравлический способ бурения. При этом способе воду нагнетают в скважину через колонну труб и специальную струйную насадку, прикрепленную к нижней части колонны. Вода размывает забой, и трубы погружаются в грунт. Гидромасса, образованная размывом грунта, под давлением воды выжимается вдоль наружных стенок обсадной трубы, извлекаемой из грунта лебедкой. С помощью гидравлического бурения можно проходить скважины глубиной до 8 м со скоростью до 1 м/мин.

Электрогидравлическое бурение основано на использовании гидравлического удара, который возникает в результате мгновенных давлений в сотни и тысячи атмосфер, создаваемых в жидкости специально сформированными электрическими высоковольтными разрядами. Для сформирования таких разрядов создана установка, позволяющая использовать электрогидравлический эффект для разрушения весьма крепких пород.

Источник