Механические способы бурения.
Технология механического бурения включает операции по разрушению породы, подачу ее на поверхность, обеспечение стенкам буровых выработок устойчивости и вспомогательные операции. Для разрушения грунта в забое применяют такие приемы, как резание, истирание, удар, скол и комбинированное воздействие (например, истирание и удар).
Транспортировку измельченного грунта на поверхность выполняют двумя методами: сухим, где измельченный грунт устраняют винтовыми конвейерами или сжатым воздухом; и гидравлическим, где грунт удаляют вымыванием его водой под давлением. Далее грунт уже вывозится самосвалами, при отсутствии достаточно количества средств можно купить самосвал бу.
Существуют три основных способа механического бурения: вращательный (буровой инструмент разрушает грунт вращением), ударный (буровой снаряд разрушает грунт ударами) и вибрационный (грунт разрушают колебаниями высокой частоты).
обы получить наибольшую эффективность, иногда при бурении используют комбинированные способы: ударно-вращательный или вибровращательный. Механическое бурение совершают машинами и буровыми станками. Если объемы работы небольшие или нужно пробурить мягкий грунт глубиной не больше 5 м, то в этих случаях применяют ручное бурение.
Для вращательного способа бурения характерна высокая производительность (в 3-4 раза превышающей производительности бурения ударами), более низкая стоимость буровых затрат, возможность бурения наклонных, горизонтальных и вертикальных скважин. При вращательном способе бурения буровой инструмент, жестко прикрепленный к нижнему концу вращающейся штанги, истирает, режет или скалывает породу забоя.
Вращательный способ бурения подразделяется на следующие основные виды: колонковое, шнековое, роторное, выполняемые самоходными установками или станками. Колонковым бурением проходят скважины диаметром 4,5…13 см и глубиной до 199 м. Колонковые станки или установки обладают лебедкой подъема трубчатых штанг и механизмом, вращающей эти штанги. На конце штанги расположен колонковый снаряд, имеющий кольцевую коронку (рабочая часть), армированной алмазами или резцами на твердых сплавах. Бурильный снаряд, вращаясь, внедряет колонку в породу, при этом образуется кольцевая выработка породы вокруг керна, который входит в колонковую трубу.
елав проходку на необходимую глубину, буровые штанги, колонковый снаряд, керн поднимают на поверхность лебедкой. В процессе бурения насосом по бурильным трубам в забой скважины подают раствор из глины (или воду), который, смешиваясь с частицами разрушенной породы, выносит их через кольцевое пространство между стенками скважины и штангами на поверхность. Глинистый раствор обеспечивает охлаждение бурильного инструмента и одновременно защищает стенки скважины от обрушения.
Шнековое бурение используют для скважин диаметром 11…12,5 см и глубиной до 30 м в мерзлых и мягких грунтах. Шнековый буровой станок имеет металлическую раму. Она состоит из 2-ух направляющих стоек, которые установлены на полозьях или передвижной платформе. Направляющие стойки рамы служат для перемещения электродвигателя с редуктором. В шпиндель электродвигателя вставлены буровые рабочие штанги, представляющие собой трубы, где на их поверхности по линии винта наварены реборды (стальные полосы). Штанги извлекают ручной лебедкой. При углублении скважины штанги необходимо наращивать, для этого их между собой соединяют патронами. Звенья штанг заканчиваются долотом (или лопастным резцом), являющимся рабочей частью, при вращении штанг они врезаются в породу. Выбуренную породу винтовым конвейером выдают на поверхность.
Роторным бурением устраивают скважины диаметром 30…40 см и глубиной 150…1200 м. В роторную бурильную установку входят вращатель (ротор, сборная вышка) и оборудование, промывающее скважины раствором из глины.
углый стол ротора имеет вкладыши, через которые проходит рабочая труба. Роторные вкладыши передают вращение от двигателя к бурильным трубам, прикрепленным к рабочей трубе. Благодаря соответствию размеров вкладышей ротора и наружного диаметра рабочей трубы, последняя может, одновременно вращаясь, перемещаться вниз и вверх. Лопастные и шарошечные долота, установленные на нижнем конце бурильной трубы, разрабатывают грунт забоя скважины по всей площади. Рабочая труба верхним концом соединена с вертлюгом, к которому присоединен насосный рукав, предназначенный для подачи глинистого раствора в бурильные трубы. Вся система бурильных и рабочих труб с вертлюгом подвешивается к крюку. Трубы (рабочие и бурильные) поднимают и опускают с помощью каната, навитого на лебедочный барабан.
Для бурения шпур в породах, имеющих мягкую и среднюю твердость, и в мерзлых грунтах применяют сверлильные машины, работающие на электрическом токе. Сверлильные машины могут быть легкими (с ручной подачей) и тяжелыми (колонковые). Осевое давление в ручной электрической сверлильной машине создается мускульной энергией бурильщика. Колонковая электросверлильная машина имеет автоматическую подачу. Буровая штанга сверл закрепляется в патроне шпинделя. Нижний конец ручной электросверлильной машины оснащают резцом, сделанной из твердого сплава. Подбор буровых штанг выполняют комплектно, соответствуя глубине шпура. Когда бурят ручной электросверлильной машиной, в шпуре образуется буровая мелочь или шлам, который нужно удалить. Для этого сверло быстро вытаскивают из шпура, при этом его вращение не должно прекращаться. Работая колонковыми электросверлильными машинами, шлам устраняют промывкой.
Ударным бурением разрабатывают скважины на полное сечение с начальным диаметром 30 см и конечным 15 см, глубиной до 250 м. Разработка скважин ведется сплошным забоем. Ударным способом бурят скважины для водоснабжения, проводят детальную разведку каменных материалов и инженерно-геологические исследования, замораживают грунт, устраивают набивные сваи и т. д. Ударное бурение подразделяют на ударно-вращательный, ударно-канатный, ударно-штанговый.
Применяют ударно-вращательное бурение для устройства шпур и скважин, обладающих различной крепостью. Станками ударно-вращательного бурения производят проходку скважин до 30 м. При данном способе бурения ударное действие и вращение инструмента совершают двумя независимыми механизмами – пневмоударником и вращателем. Пневмоударник является пневматическим молотком, в котором баек движущегося возвратно-поступательного поршня со штоком наносит удары по коронковому хвостовику. Коронка во время бурения может перемещаться вдоль оси пневмоударника на 2 см. Сжатый воздух к пневмоударнику поступает через буровые штанги. Вращатель состоит из электродвигателя и редуктора, при работе станка он приводит во вращение пневмоударник и буровую штангу, который внедряются в грунт. Штанга должна вращаться с частотой 25 об./мин. Буровую пыль, выходящую из скважины, улавливает обеспыливатель.
Ударно-штанговое бурение обеспечивает минимальное отклонение по вертикальной оси скважины. Опускают буровой снаряд в скважину на трубчатых бурильных штангах. Между собой штанги соединены замками на конической резьбе. Для подвешивания колонн буровых штанг используют вертлюги усиленной конструкции.
При ударно-канатном способе бурения буровой снаряд весом до 3 т падает в забой скважины с высоты больше 1 м, развивая значительную ударную силу. Станок, предназначенный для ударно-канатного бурения, работает так. Опорная мачта бурильного станка состоит из блока. Канат, перекинутый через этот блок, проходит под балансирным роликом и огибает далее ролик, являющийся направляющим. Канат закреплен на лебедочном барабане. Кривошипно-шатунная передача подает качательное движение балансирному ролику, благодаря этому буровой снаряд периодически подымается и падает. В буровой снаряд входят ударная штанга, канатный замок и долото. Различают долото плоское, двутавровое, крестовое и округляющее. Их изготовляют из легированной стали. В процессе бурения скважину заливают водой, с тонкоизмельченной породой она образует шлам. Его время от времени вычерпывают с помощью полого цилиндра (желонки), у которого на нижнем конце находится клапан. Станки ударно-канатного бурения имеют производительность до 30 м в смену.
Инструменты бурения
Перфораторы, используемые для бурения шпуров, могут быть ручные (имеют массу до 24 кг, им бурят шпуры глубиной до 3 м) и колонковые (либо станковые, масса – до 40 кг, глубина бурения – до 5 м). Воздух к перфоратору подводится компрессором. Рабочим органом перфоратора является буровая головка. Нетрещиноватые породы, обладающие мягкой и средней крепостью, бурят головкой с одним долотом, который армирован твердыми сплавами. При бурении вязких и трещиноватых пород применяют двухдолотчатые головки. Крестообразными головками бурят породы средней крепости, имеющих незначительную трещиноватость, а также вязкие породы. Для бурения крепких и трещиноватых пород используют кресто- и звездообразные головки.
Перфораторные молотки, очищающие каналы от каменной мелочи и пыли, подразделяют на мокрые и сухие. У мокрых перфораторов есть специальные устройства, промывающие канал водой, а в сухих перфораторах канал продувается воздухом. Мокрое бурение лучше сухого, т. к. вода, применяемая для промывки канала, способствует снижению сопротивляемости породы и увеличению стойкости головки бура за счет охлаждения ее водой и уменьшения трения о канальные стенки.
Вибрационный способ применяют для бурения шпур и скважин в мягких грунтах диаметром до 12,5 см и глубиной до 25 м. При вибрационном бурении под воздействием вибрационного снаряда происходит выделение связной жидкости из грунта. При этом частицы грунта, находящиеся в контактной зоне с вибрирующими наконечниками, переходят в состояние подвижности, одновременно резко снижается и сопротивляемость грунта сдвигу.
ким образом, буровой инструмент начинает внедряться в породу. Методы устройства каналов вибрационным способом бурения сходны вибропогружению шпунта и свай. Скорость бурения при вибрационном способе довольно высокая (например, в суглинистой почве шпур глубиной до 1,1 м пробуривается за несколько секунд). По мере увеличения глубины выработки у бурового инструмента вибрация затухает, уменьшается скорость проходки, а на глубине 20…26 м проходка прекращается.
При любом механическом способе бурения скважинные стенки закрепляют обсадными трубами, у которых внутренний диаметр составляет 5…20 см. Колонны обсадных труб выполняют из звеньев длиной 1,6…4,4 м, при бурении их опускают, при этом начинают с большего диаметра. С увеличением глубины скважин переходят на малые диаметры. Соединяют звенья труб ниппелями, муфтами либо свинчивают между собой способом «труба в трубу». Диаметр бурового инструмента должен быть на 5…10 мм меньше внутреннего диаметра труб. Внизу на обсадных трубах устанавливают коронку (так колонны обсадных труб легче опускаются), вверху – патрубок, защищающий трубные нарезки от ударов буровой установкой.
прорабофф.рф
Ручное бурение скважин на воду как промышленный способ применялось еще сравнительно недавно.
и теперь оно возможно в тех местах, куда трудно доставить буровую технику. Ручным ударно-вращательным бурением, используя только мускульную силу человека, проходят скважины наибольшим диаметром 200–250 мм и глубиной до 70 м, а в отдельных случаях — и до 100 м. Проходку скважины ударно-вращательным бурением ведут вращением различных буров, а в твердых и сыпуче-плывучих породах — долблением специальными долотами и стаканами. Эти буровые инструменты подсоединяют к стержням — буровым штангам, которые соответственно вращают руками или попеременно поднимают и сбрасывают в забой. Отсюда и название способа проходки «ручное ударно-вращательное бурение».
Для проходки пластичных пород (глины и смеси глин с песками) наиболее приспособленным инструментом являются ложковые буры (ложки). Ложка — это полуцилиндр, свернутый из листовой стали, например Ст. 3, с левой отогнутой режущей кромкой (если смотреть сверху). Порода в полости полуцилиндра удерживается сжатием и прилипанием, поэтому продольная щель между кромками для более сыпучих пород должна быть более узкой. Ложка забирает породу вертикальной и нижней режущими кромками. Нижнюю часть ложки устраивают по-разному. Для самодельного исполнения наиболее доступны следующие варианты (рис. 20): низ ложки выполнен ковшеобразным резцом; низ ложки с левой стороны сделан в виде резца, а с правой — в виде поперечного выступа, причем между этими отгибами можно пропустить сверло по металлу и приварить его к телу ложки.
то и другое несложно выполнить, если есть возможность нагреть металл до пластичного состояния. Ложку можно также сделать из трубы подходящего диаметра и использовать ее даже без термического упрочнения режущих кромок. Существенной особенностью ложковых буров является то, что их корытообразный корпус обычно смещают на некоторое расстояние от оси вращения. Так, у бура со сверлом ось нижнего сверла и ось вращения штанги должны совпадать, а ось тела ложки следует сместить на расстояние е (эксцентриситет), равное 10–15 мм. Такой ложковый бур, вращаясь в скважине, своей продольной режущей кромкой будет вырабатывать в породе скважину большего диаметра по сравнению с диаметром ложки. Подобное уширение скважины необходимо для прохода обсадных труб, внутренний диаметр которых в большинстве случаев приходится брать больше наружного диаметра ложки. Объясняется это тем, что при опасности обвалов стенок скважины бурение и закрепление скважины обсадной трубой ведут одновременно, и ложка должна при этом проходить в обсадную трубу.
Рис. 20. Ложковые буры: а — с ковшеобразным резцом; б — с отгибами и сверлом
Порода, которую ложка забирает в забое скважины, извлекается на поверхность вместе с инструментом. За одну забурку ложкой обычно углубляют скважину на 30–40 см.
Иногда самодельный буровой инструмент делают в виде простого бурава — стального диска с вырезанным узким сектором и отогнутыми кромками. Конечно, можно что-то сделать и таким буром в пластичных, необваливающихся породах. Однако он очень легко уходит в сторону, вызывая часто недопустимое искривление ствола скважины. Если еще с этим как-то можно бороться установкой выше бура центрирующего пояска, то об уширении скважины для обсадной трубы в данном случае не может быть и речи.
Рис. 21. Змеевиковый бур
Для бурения плотных глин и суглинков применяют змеевиковый бур (змеевик), напоминающий бурав по дереву (рис. 21). Нижнее режущее лезвие змеевика имеет форму ласточкина хвоста и должно закаливаться. Змеевик действует подобно штопору: вращаясь, он ввинчивается в породу. При подъеме бура порода удерживается на его винтовых лопастях. Змеевик во время работы приподнимают на несколько сантиметров через каждые 1,5–2 оборота буровых штанг для отрыва от основного массива породы. В противном случае усилие подъема будет очень велико и штанги можно порвать.
Изготовить самому такой змеевик трудно, поэтому в самодеятельном бурении вместо него с успехом используют отрезки винтовых шнеков от сельхозмашин. Для этого берут часть шнека с 3–4 витками, снизу приваривают сверло по металлу (или просто конический штырь) для центрирования бура в забое, а сверху — отрезок трубы для соединения со штангами. Хорошие результаты получают, приспосабливая для бурения плотных глин и суглинков рыболовные ледовые буры.
Для проходки твердых пород и валунно-галечниковых отложений служат буровые долота. При необходимости их также делают эксцентричными по отношению к оси шейки, чтобы вырабатывать уширенную скважину, доступную для прохода обсадной трубы. Долота изготавливают из закаливающихся сталей У10, 45, 65Г, 40ХН п др.) и закаливают до твердости зубила на высоту не более 25 мм. В зависимости от крепости проходимых пород лезвие долот должно иметь различный угол заострения. Для проходки относительно мягких пород угол заострения (двугранный угол) — 70–80°, для твердых пород и валунно-галечниковых отложений — 110–130°.
Долота имеют разную форму применительно к различным по буримости породам (рис. 22). Бурение не очень твердых пород ведут зубильным (плоским долотом), более твердых — двутавровым и с Z-образным лезвием. Для бурения твердых трещиноватых пород служит крестовое долото, у которого два лезвия пересекаются под прямым углом, — это препятствует его заклиниванию в трещине. Скругляющее долото применяют также для проходки твердых пород, оно обеспечивает более правильную округлость скважины и дает хорошие результаты при проходке трещиноватых пород и валунно-галечниковых отложений. Эксцентричное долото разрабатывает скважины большего диаметра, чем размер лезвия. Для раздробления небольших валунов или отодвигания их в сторону в забое применяют долото в форме клина — пирамидальное долото.
Рис. 22. Буровые долота: 1 — зубильное (плоское); 2 — двутавровое; 3 — крестовое; 4 — скругляющее; 5 — эксцентричное; 6 — пирамидальное
Сделать самому в домашних условиях долота классической формы, представленные на рис. 22, чрезвычайно сложно. Изготовляют их ковкой в штампах из цельной заготовки, сварка категорически запрещается, так как при сварке закаливающихся сталей шов в обычных условиях получается хрупким. Для изготовления таких долот необходимы: кузнечно-прессовое тяжелое оборудование, закрытые печи с восстановительной атмосферой, специальная технологическая оснастка и т. п. Кузнецы, работающие в настоящее время вручную еще в некоторых ремонтных мастерских, неспособны сделать такие долота из-за невозможности прогреть массивную заготовку в открытом горне и невозможности удержать ее раскаленную в клещах из-за большой массы. Например, наименьшее плоское долото с длиной лезвия 148 мм имеет массу 42 кг. Поэтому форму долот надо воспринимать как «информацию к размышлению» при конструировании самодельных аналогов.
Итак, возникает проблема. Решить ее можно следующим образом: либо фрезеровать долото из цельной заготовки (такую возможность имеет далеко не каждый); либо все же попытаться сварить долото из мягкой стали (имея в виду его непродолжительную работу) с твердосплавной наплавкой режущих кромок, либо сделать долото составным, то есть корпус сварить из мягкой стали, а режущую часть набрать из таких стальных зубильных лезвий, которые кузнец смог бы прогреть, вручную отковать и закалить.
На рис. 23 показаны составные долота, способные разрабатывать скважину диаметром 250 мм. Все долота сделаны в основном своими руками, опробованы на практике (поработали они основательно), показав хорошие результаты.
Рис. 23. Составные долота: 1 — клин; 2 — вставное лезвие; 3 — заклепка
Корпус долота (а) вырезали кислородным резаком из стальной пластины толщиной 40 мм. Механической обработке его не подвергали, кроме незначительной зачистки на наждаке. К корпусу сверху приварена электросваркой шейка для соединения со штангами. Снизу просверлены 4 глухих отверстия диаметром 20 мм для вставных зубильных лезвий и 4 сквозных боковых отверстия диаметром 12 мм для цилиндрических клиньев, закрепляющих зубильные лезвия (аналогичными цилиндрическими клиньями закрепляются, например, шатуны у велосипеда). Зубильные лезвия были откованы кузнецом из заготовок (инструментальная сталь У10), предварительно выточенных на токарном станке. После ковки и закалки зубильные лезвия были заточены, на хвостовиках напильником сделаны лыски. Затем лезвия закрепили в отверстиях цилиндрическими клиньями, нарезанными из стального прутка диаметром 12 мм. Клиновые лыски на этих деталях также сделали напильником. Вставные зубильные лезвия можно отковать не из точеных заготовок, а, к примеру, из изношенных пальцев тракторных гусениц. Смонтировать зубильные лезвия в корпусе также можно по-разному — в линию, крестообразно, змейкой и др., приблизив форму долот к вышеописанным классическим образцам. Все это, понятно, легко сделать в одном корпусе, меняя только зубильные лезвия.
Лезвия долота (б) изготовили из куска листовой рессоры, которую обрезали кислородным резаком в размер, отпустили, просверлили отверстия и установили на заклепках в корпус, подготовленный сваркой из нарубленных стальных пластин. Клепка горячая.
Для долота (в) в качестве лезвий использовали обрезки отличной стали от гильотинных ножниц для рубки листового металла. Толщина обрезков 36 мм, поэтому вставные долота получились очень «мощными» и показали хорошие результаты при проходке валунно-галечниковых отложений. Форма этого долота в какой-то мере воспроизводит классическое скругляющее долото.
Как видим, во всех случаях соединение лезвий, сделанных из закаливающихся сталей, с корпусом из стали, не способной к закалке, выполнено клиньями, заклепками, болтами, но только не сваркой, которая бы дала хрупкий шов.
Конечно, у самодельных составных долот, да еще изготовленных с применением сварки, ресурс работы и производительность будут меньше, но уж тут, как говорится, не до жиру… Тем более что задача самодеятельного бурильщика сделать только одну свою скважину, а для этого составного долота должно хватить. Во всяком случае, в практике автора вставные лезвия тупились, по поломок но было. Кстати, по старым инструкциям при каждом поднятии долота из забоя на поверхность его нужно тщательно осматривать, своевременно производить заточку и т. д.
Заметим, что если в породе много валунов, может оказаться легче поднять их на поверхность, чем дробить в забое. На этот счет самодеятельными бурильщиками придумано немало хитроумных устройств: различные «пауки», вилки с тремя-четырьмя стальными зубьями и др. Автор при глубине до 10 м применял сачок — овальный стальной пруток с мешком (пруток приварен к штанге) и «гарпун» — заостренный стальной стержень с приваренной на конце под углом острой пластинкой. Вылавливали валуны так: «гарпуном» валун выворачивали из окружающего плотного суглинка, предварительно размоченного водой, и закатывали в сачок.
Рис. 24. Желонки: а — с плоским клапаном: б — с шариковым клапаном; 1 — труба; 2 — отбивной штифт; 3 — клапан; 4 — ось; 5 — башмак; 6 — ограничитель
Для бурения пород рыхлых, сыпучих, обломочных (пески, гравий, галечник, ил), пород, наполненных водой, а также для чистки скважины после работы долотом применяют инструмент, называемый желонкой. Последняя представляет собой: отрезок трубы длиной 2–3 м, иногда до 4 м, снабженной внизу башмаком с клапаном, а вверху — устройством для соединения со штангами (рис. 24). Клапан обычно делается плоским из стальной пластины с уплотнением резиной, кожей или без него. В желонках небольшого диаметра применяют шариковый клапан. При сбрасывании в забой башмак желонки врезается в породу, которая приподнимает клапан и входит в трубу. Когда желонку поднимают, клапан закрывается и удерживает набранную породу. После заполнения породой желонку извлекают на поверхность и очищают, поворачивая ее для этого вверх клапаном с помощью специального устройства, позволяющего не отсоединять желонку от штанги. Бурильщику, который впервые «изобретает» желонку из случайных материалов, порекомендуем не гнаться за производительностью и сделать общую высоту желонки поменьше, скажем, около 1 м, и с боковым окном (рис. 25), чтобы можно было рукой дотянуться до клапана. Через это окно можно ее и чистить не переворачивая. Косынки и конус в верхней части желонки предназначены для того, чтобы при подъеме не зацепить желонку за обсадную трубу.
Рис. 25. Самодельная желонка: 1 — ударная штанга; 2 — окно; 3 — клапан; 4 — башмак
В качестве буровых штанг для неглубокого бурения (до 25 м) вполне достаточными по прочности являются газовые трубы внутренним диаметром 33 мм (применяют также трубы диаметром 42 и 48 мм). Длина труб отдельных звеньев штанги — 5 м. Отбирая трубы для штанг, надо внимательно осмотреть сварные швы. Если швы плохо проварены, то во время бурения при скручивающих нагрузках они легко расходятся.
Обычные водопроводные или газовые муфты для соединения штанг нежелательны из-за недостаточных прочности и длины. Для соединения буровых штанг лучше изготовить специальные муфты большей длины, бочкообразной формы и с гладкими концевыми внутренними проточками, в которые концы свинчиваемых штанг должны плотно заходить своими ненарезанными частями (рис. 26). Последнее делается для того, чтобы уменьшить опасные изгибающие нагрузки в концевых сечениях штанг, ослабленных резьбой. Конечно, намного ускоряет процесс соединения-разъединения штанг коническая резьба. Однако сделать такую резьбу очень трудно, и если, что скорее всего, придется ограничиться цилиндрической резьбой, то нарезать ее на штангах надо на токарном станке или клуппом с направляющей втулкой, чтобы избежать перекоса резьбы. Штанги с перекошенной резьбой при свинчивании будут располагаться не соосно, что чревато большими неприятностями, поскольку приводит к вихлянию всей буровой колонны, особенно заметному при ее длине более 10 м.
Рис. 26. Муфта
В самодеятельном бурении применяют и другие способы соединения штанг: на фланцах, штифтами с помощью соединительных втулок или патрубков из труб меньшего диаметра. Однако оба эти способа не позволяют добиться надежного и соосного соединения штанг вследствие небольших погрешностей в установке фланцев на сварке и люфта во втулках. А устранить эти дефекты практически невозможно.
При подъеме и спуске штанг в скважину их развинчивают не по одному звену (колену), а по два или по три — «столбами», или «свечами». «Столбы» нельзя класть на землю, так как при подъеме с земли они гнутся. Их надо удерживать в вертикальном положении, прислонив к надежной опоре. В старину, если бурение производилось без вышки, назначением одного рабочего в буровой команде было удерживать «столбы» руками в вертикальном положении. Штанги в «свечах» можно соединять цилиндрическими резьбами, а для соединения «свечей» между собой очень хорошо применить конические.
Когда нет подходящих труб, штанги можно сделать из дерева с металлическими наконечниками, соединяя их внахлестку на болтах. В старинных руководствах эта конструкция описана как вполне реальная. Дерево для штанг: тонкослойная ель, лиственница, ясень, дуб. Деревянными штангами бурили на небольшую глубину при диаметре скважины до 3 дюймов только ударным способом.
При свинчивании-развинчивании штанги висят в скважине на подкладной вилке, опираясь на нее муфтой, для этой же цели, а также для подъема и спуска штанг в скважину служит фарштуль (рис. 27). Фарштуль состоит из серьги, надетой своими ушками на цапфы массивной траверсы с вырезом посредине для пропуска рабочих штанг. Вырез закрывается откидной щеколдой (собачкой, заградительной планкой или шпилькой). Штанга, заведенная в фарштуль, садится муфтой на края выреза траверсы.
Рис. 27. Принадлежности для штанг: а — подкладная вилка; б — фарштуль; 1 — серьга; 2 — щеколда; 3 — траверса
Вращательное движение штанг в скважине осуществляется с помощью накидного хомута, который может быть выполнен из дерева и стягиваться шпильками.
В процессе ударно-вращательного бурения, несмотря на все предосторожности, случаются неполадки и аварии, приводящие к тому, что из скважины приходится извлекать какие-то предметы. Для этого служит ловильный инструмент (рис. 28).
Рис. 28. Ловильный инструмент: 1 — винт (метчик); 2 — колокол; 3 — штопор; 4 — «счастливый» крюк
Чаще всего приходится вытаскивать из скважины оторвавшиеся штанги. Разрыв штанг происходит в первую очередь потому, что в домашних условиях для штанг часто используют случайные материалы, а также из-за неопытности бурильщика. Для вытаскивания оторвавшихся штанг применяют ловильный винт, или метчик, представляющий собой стальной закаленный винт конической формы, нижний конец которого свободно входит в отверстие штанг. Продольные канавки ловильного винта предназначаются для стружки, образующейся при прорезывании винтом стенок штанги трубок.
В тех случаях, когда отверстие оторвавшейся части замято и конец ловильного винта в него не входит, а также для вытаскивания оторвавшегося рабочего инструмента с шейкой из сплошного металла, используют ловильный колокол.
Аналогичные ловильные инструменты применяют и для обсадных труб.
Когда упущенная в скважину штанга имеет наверху муфту, для ее ловли применяют «счастливый» крюк, которым штангу подхватывают под муфту.
Для того чтобы из скважины вытащить упавший мелкий предмет, необходим ловильный штопор — спирально согнутая стальная пластина (полоса) с резьбовым хвостиком наверху. Штопор опускают в скважину на штангах, и при вращении он вместе с породой захватывает упавший предмет.
Для подъема тяжелой колонны штанг из глубоких шахт потребуется ворот или лебедка, а также опора для верхнего блока. Обычно в этом случае устанавливают буровую вышку (рис. 29), которая представляет собой треногу высотой 4,5–5 м с канатным блоком наверху. Через блок должна быть пропущена крепкая веревка или стальной трос, с помощью которых колонну штанг с инструментом и разбуренной породой можно было бы вытащить лебедкой или воротом на поверхность.
Рис. 29. Буровая вышка
При ударном бурении, когда инструмент со штангами поднимают на 1–1,5 м и сбрасывают в забой, для облегчения труда применяют балансир (рычаг 1-го рода) — деревянный брус или крепкую доску-шестидесятку. Чтобы долота разрабатывали круглую скважину, штанги с инструментом при каждом ударе поворачивают руками на некоторый угол. Поэтому к балансиру их подвешивают через штанговый вертлюг (рис. 30). Более совершенным устройством по сравнению с балансиром является специальная фрикционная лебедка, позволяющая осуществить удар в результате оттягивания каната.
Рис. 30. Вертлюг
Одним из серьезных моментов при ударно-вращательном бурении является заложение скважины. Надо помнить, что вращательное бурение ложковыми бурами всегда связано с опасностью скручивания штанг. И эта опасность тем больше, чем глубже скважина. Если при этом скважина заложена не отвесно, а под некоторым углом, то к напряжениям скручивания добавляются еще напряжения от изгиба буровой колонны. Кроме того, всякая наклонная скважина имеет тенденцию с глубиной все более и более уходить от вертикали, что сильно затрудняет как само бурение, так и опускание (особенно!), а также подъем обсадных труб.
При наличии треноги заложение скважины производят подвешенным инструментом, чем и достигается нужная вертикальность. Если треноги нет и штанги удерживают руками, то для закладки скважины необходимы три человека: двое закручивают ложковый бур, а третий следит за вертикальностью штанги. Когда ложковый бур углубится в землю на половину его длины, его вынимают, очищают и опускают вновь, подлив в скважину воды, чтобы стенки скважины по осыпались, а обмуровывались. Затем скважину опять проверяют на вертикальность и т. д. Если вертикальность не получилась, скважину надо начать вновь.
Сухая порода плохо удерживается в ложковом буре, поэтому надо в скважину подливать воду — она играет также и роль смазки. При длине ложки 750 мм скважина при полном заполнении ложки разбуренной породой углубляется примерно на 350 мм.
Так как устье скважины в земле сильно разрабатывается, то, пройдя буром первые 3–4 м, следует обсадить скважину одним или двумя звеньями обсадной трубы. Это первое крепление скважины обычно происходит без затруднений. Обсадная труба должна иметь внизу режущий башмак (см. раздел «Обсадные трубы»), а вверху — патрубок, предохраняющий резьбу от занятия. В скважине обсадная труба должна висеть свободно на деревянном или стальном хомуте.
Крепление скважины обсадной трубой обусловлено следующими причинами. Пластичные породы, особенно глины, пройденные буром, имеют тенденцию набухать под воздействием воды или вспучиваться в скважину от давления верхних пластов. В результате просвет скважины сужается и затрудняет (или даже делает невозможным) спуск бурового инструмента. Когда же скважина прорезает неустойчивые породы (пески, гравий, гальку, рухляки и т. п.), она начинает засыпаться или заплывать этими породами. Неизбежным становится крепление скважины и в том случае, когда приходится переходить к долблению твердых пород долотами. Разбуренная при этом твердая порода в виде бурильной грязи отбирается небольшими порциями желонкой; скорость проходки скважины подчас измеряется сантиметрами в сутки.
Следующая глава >
hobby.wikireading.ru
Принцип действия
Ударное воздействие на забой осуществляется породоразрушающим инструментом, прикрепленным к погружному пневмоударнику (реже – гидроударнику). Пневмоударник подвешен к буровой колонне, совершающей вращательное движение со скоростью 40 – 60 об/мин. и передающей осевое усилие на забой. Образующиеся при скалывании породы выступы срезаются при вращении инструмента. Измельченная порода поднимается на поверхность потоком отработанного воздуха или промывочной жидкости.
При бурении мелких скважин применяют вращательно-ударное бурение. В этом случае ударники располагаются на поверхности и основное разрушающее воздействие на забой оказывает момент вращения.
Технология
Бурение осуществляют следующим образом:
- Буровую установку переводят в рабочее положение;
- Вращательным или иным способом проходят верхнюю часть скважины в слабых и вязких грунтах, выполняют ее обсадку;
- Устанавливают, смазывают и опробуют пневмоударник с буровым инструментом;
- Погружают пневмоударник в скважину, подают воздух под давлением 0,4 – 0,6 МПа (при бурении глубоких скважин – до 2,5 МПа), приступают к бурению;
- После достижения проектной отметки обсаживают скважину трубами.
Оборудование
Ударно-вращательное бурение скважин выполняют установками вращательного действия, укомплектованными компрессорами, специализированными машинами Буран-1, FlexiROC T45 и др. Наиболее распространенные типы пневмоударников – М1700 и М-1900. Цифры в обозначении соответствуют количеству ударов в минуту. Породу разрушают коронками и долотами с режущими кромками из твердых сплавов.
Область применения
Ударно-вращательное бурение применяют для проходки скважин диаметром 59 – 151 мм глубиной до 2 км в породах крепостью 8 – 20. Этим способом проходят скважины следующего назначения:
- Геолого-разведочные.
- Взрывные.
- На воду.
- На газ и нефть.
Эффективность данной технологии проявляется в крепких и очень крепких породах. Бурение ударно-вращательным методом в мягких породах экономически не оправдано.
Достоинства
Ударно-вращательный метод проходки позволяет:
- Увеличить темпы бурения в твердых породах по отношению к вращательному бурению в 2 – 3 раза при использовании пневмоударника и в 1,5 раза – гидроударника.
- Отказаться от дорогостоящих алмазных коронок.
- Пройти скважину с минимальными отклонениями по вертикали.
Стоимость
На цену скважин, пробуренных ударно-вращательным методом, влияют их глубина, диаметр, крепость пород и амортизационные расходы на оборудование. Вы можете уточнить стоимость проходки и получить более подробную информацию, позвонив нашим специалистам.
sbk-svai.ru
Бурение нефтяных и газовых 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 (рис.9) 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 двигателем долото 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 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.
По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока, талевого блока 12, крюка 13 и талевого каната 11, подается в скважину. Когда ведущая труба 15 войдет в ротор 16 на всю длину, включают лебедку, поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 15 вместе с вертлюгом 10 и спускают ее в шурф (обсадную трубу, заранее установленную в специально пробуренную наклонную скважину) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина под шурф бурится заранее в правом углу вышки примерно на середине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают), путем привинчивания к ней двухтрубной или трехтрубной свечи (двух или трех свинченных между собой бурильных труб), снимают ее с клиньев, спускают в скважину на длину свечи, подвешивают с помощью клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев, доводят долото до забоя и продолжают бурение.
Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. Спуско-подъемные работы ведут также с помощью полиспастной системы. При вращении барабана лебедки талевый канат наматывается на барабан или сматывается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.
При подъеме БК развинчивают на свечи и устанавливают их внутри вышки нижними концами на подсвечники, а верхние заводят за специальные пальцы на балконе верхового рабочего. Спускают БК в скважину в обратной последовательности.
Таким образом процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спускоподъемными операциями (СПО) для смены изношенного долота.
Трубу (колонну труб) 7, установленную в шурфе, называют направлением. Установка направления и ряд других работ, выполняемых до начала бурения, относятся к подготовительным. После их выполнения составляют акт о вводе в эксплуатацию буровой установки и приступают к бурению скважины.
Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 400-800 м), перекрывают эти горизонты кондуктором 4 и цементируют затрубное пространство 3 до устья. При дальнейшем углублении могут встретиться горизонты, также подлежащие изоляции, такие горизонты перекрываются промежуточными (техническими) обсадными колоннами.
Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну (ЭК).
После этого все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование. Затем против продуктивного пласта в ЭК и цементном камне пробивают несколько десятков (сотен) отверстий, по которым в процессе испытания, освоения и последующей эксплуатации нефть (газ) будут поступать в скважину.
Сущность освоения скважины сводится к тому, чтобы давление столба бурового раствора, находящегося в скважине, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ) из пласта начнет поступать в скважину. После комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию.
На каждую скважину заводится паспорт, где точно отмечаются ее конструкция, местоположение устья, забоя и пространственное положение ствола.
Буровые работы должны выполняться с соблюдением законов об охране труда и окружающей природной среды. Строительство площадки под буровую, трасс для передвижения буровой установки, подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов для водоснабжения, сбора нефти и газа, земляных амбаров, очистных устройств, отвал шлама должны осуществляться лишь на специально отведенной соответствующими организациями территории. После завершения строительства скважины все амбары и траншеи должны быть засыпаны, вся площадка под буровую – максимально восстановлена (рекультивирована) для хозяйственного использования.
prod.bobrodobro.ru
