15.1 Оборудование. Буровой снаряд

Ударно-канатное бескерновое бурение твердых полезных ископаемых ведется в основном при разведке россыпных месторожде­ний золота. Подавляющая часть россыпей приурочена к долинам рек. Поэтому геологические разрезы сложены перемежающимися раздельно-зернистыми и глинистыми породами: глинами, илами, песками, гра­вием, дресвой, галечником, валунами. Причем основная часть горных пород (около 75 - 80 %) представлена мерзлыми породами, а остальные - талыми породами, как правило, сильно обводненными.

В таких условиях бурение вращательным способом сопряжено с огромными трудностями, обусловленными неустойчивостью стенок скважин, обвалами горной породы, быстрым разрушением коронок и т.д.

Промышленное содержание золота в россыпях составляет от нескольких десятков до нескольких граммов на тонну на 1 м³ при весьма неравномерном его распределении по объему. Попадание излишней золотинки массой 1 мг (например, со стенок скважины) при бурении скважин диаметром 168 - 219 мм приводит к погрешности, сопоставимой с промышленным содержанием металла. Вероятность попадания осо­бенно крупных золотин определяется объемом пробы. Все это предъяв­ляет очень строгие требования к тщательности и точности отбора проб. При бурении вращательным способом с промывкой скважины выпол­нить эти требования невозможно. Поэтому в настоящее время наиболь­шее распространение при разведке россыпных месторождений получил ударно-канатный способ.

Рассматриваемый способ имеет целый ряд недостатков, основ­ными из которых являются низкая производительность, большая метал­лоемкость вследствие большого числа обсадных колонн, сложность ли­квидации аварий.

Как известно из курса «Буровые машины», установка ударно-канатного бурения при помощи ударного механизма преобразует вращательное движение горизонтального вала в возвратно-поступательное движение бурового снаряда. В качестве буровой установки для ударно-канатного бурения чаще других используют установки БУУ-2, реже УКС-22 и УКС-30.

Разрушение горных пород при ударно-канатном бескерновом способе бурения осуществляют буровым снарядом (рис. 15.1), состоя­щим из долота 1, ударной 2 и раздвижной 3 штанг, канатного замка 4 и каната 5, который соединяется через головной ролик мачты 7, оттяжной 10 и направляющий 12 ролики ударного механизма с барабаном инстру­ментальной лебедки 13.

В результате колебательного движения балансирной рамы 11 ударного механизма производится подъем и сбрасывание бурового сна­ряда на забой. Под действием ударов лезвия долота по забою происхо­дит смятие, скалывание и дробление горной породы.

При очередном подъеме бурового снаряда над забоем под дейст­вием его веса происходит раскручивание каната, снаряд поворачивается на некоторый угол относительно первоначального положения, вследст­вие чего при дальнейшем сбрасывании снаряда лезвие долота разрушает новый участок горной породы забоя. После сбрасывания снаряда и сня­тия нагрузки с каната он вновь закручивается. Такому закручиванию способствует наличие специальной поворотной втулки (гильзы) в ка­натном замке с малым коэффициентом трения. В процессе долбления горной породы в скважину подливают воду, и разрушенная порода при расхаживании снаряда переходит во взвешенное состояние в виде пуль­пы, что позволяет вести углубку скважины на значительную величину (до одного метра и более). После очередной углубки на некоторую ве­личину в скважину спускают желонку с клапаном, и забой очищают от пульпы. Затем вновь спускают долото и производят долбление породы. При бурении рыхлой породы долбление породы долотом может не про­изводиться. Для закрепления стенок скважин в последнем случае одно­временно с бурением опускают в скважину обсадные трубы.

Буровой снаряд для ударно-канатного бескернового буре­ния, как отмечено выше, состоит из долота (рис. 15.2), ударной и раз­движной штанг, канатного замка и каната.

При ударно-канатном бурении при разведке россыпных месторождений применяют плоские, двутавровые округляющие и пирамидальные долота. Плоские долота (рис. 15.2 а) могут быть двух исполнений: для бурения в крепких породах (ДП) и для бурения в мягких породах - облегченное долото (ДПО).

Это наиболее производительные долота. Однако в случае использования их при бурении твердых вязких пород стенки скважин оказываются неровными с продольными каналами, что препятствует установке обсадных труб. Поэтому их следует применять либо по мягким поро­дам, либо по твердым хрупким породам или скважинами без крепления обсадными трубами.

Для предупреждения образования на стенках скважины в твер­дых вязких породах продольных канавок, придания скважине округлой формы и бурения трещиноватых пород более эффективны двутавровые и округляющие долота.

Двутавровое долото (ДД) (рис. 15.2, б) применяют редко, только для бурения вязких пород средней твердости не сильнотрещи­новатых. Лезвие этих долот более тонкие в средней части, а по концам имеют выступающие в обе стороны от лезвия борта (тавры), что позво­ляет бурить округлую скважину без продольных канавок.

Округляющее долото (ДО) (рис. 15.2, ж, з) более массивно и предназначено для бурения твердых горных пород, может быть исполь­зовано для бурения валунно-галечииковых отложений. Лезвие долота копытообразной формы с выступами, способно дробить даже крепкие, трещиноватые породы.

Рис. 15.1. Принципиальная схема ударно-канатного бурения: 1 - долото; 2 - ударная штанга; 3 - раздвижная штанга; 4 - канатный замок; 5 - ин­струментальный замок; 6 - желоночный канат; 7 - головной ролик мач­ты; 7 а - ролик желоночного барабана; 8 - амортизатор; 9 - мачта; 10 - оттяжной ролик; 11 - рама балансирная; 12 - направляющий ролик; 13 - барабан инструментальной лебедки; 14 - желонка; 15 - трансмиссион­ный вал; 16 - ударный вал; 17 - кривошип; 18 - гнезда для установки пальца шатуна; 19 - шатун; 20 - желоночный барабан

Так же, как и двутавровое долото, оно позволяет бурить округлые скважины с нормальной обработкой стенок скважин. Боковые лезвия долота резко снижают его износ.

Массивные крестовые долота (ДК) (рис. 15.2 в) используют для бурения валунно-галечниковых отложений и сильнотрещиноватых горных пород и валунов. Вследствие большой контактной поверхности лезвий это самые низко производительные долота и поэтому использу­ются весьма редко, в крайнем случае, при невозможности использова­ния других типов долот.

Рис. 15.2. Долота для ударно-канатного бурения: а, г - лопастное долото: 1 - лезвие; 2 - головка; 3 - корпус; 4 - желоб; 5 - шейка; 6 - прорезь; 7 - кольцевые проточки; 8 - резьба; б, е - двутавровое долото; в, д - кресто­вое долото; ж, з - округляющее долото; и - долото со сменными лезвия­ми: 1 - съемное лезвие; 2 - шпилька; 3 - винт; 4 - головка винта; 5 -корпус; к - комбинированное долото: 1 - головка; 2 - корпус; 3 - лезвия

Пирамидальные долота хороши при бурении в валунно-галечниковых отложениях для раскалывания и сдвига валунов в сторону от ствола скважины.

Размеры и масса долот приведены в табл. 15.1.

Таблица 15.1

С целью замены быстро изнашиваемых лезвий долот в Северо-Восточном геологическом управлении созданы долота со сменными лезвиями.

Ударные штанги (рис. 15.3 а) предназначены для увеличения массы бурового снаряда, а также предупреждения искривления сква­жин. Они представляют собой массивные цельнометаллические стержни с конической резьбой на концах. Для возможности комплектования массы бурового снаряда их выпускают с различными размерами: с вы­саженными концами и гладкоствольные (табл. 15.2).

Раздвижные штанги (рис. 15.3).

Они представляют собой два замкнутых звена, с длиной хода 250 мм. Нижнее звено имеет внутреннюю, а верхнее наружную конусную резь­бу для соединения с элементами снаряда.

Таблица 15.2

Канатный замок (рис. 15.4, табл. 15.4) служит для соединения бурового снаряда с инструментальным канатом и возможностями проворачивания скручивающего каната относительно сброшенного на забой долота. Он представляет собой пустотелый цилиндрический корпус 2 с внутренней конусной резьбой 1 на нижнем конце. Внутри корпуса устанавливают поворотную втулку (гильзу) 4, выполненную из материала с малым коэффициентом трения. Внутренняя полость втулки конусная для надежного затягивания «груши» при закреплении в ней каната.

Размеры и масса замков даны в табл. 15.4.

Таблица 15.4

Желонки при ударно-канатном бурении их применяют как для очи­стки забоя от разрушенной долотами горной породы (пульпы), так и для бурения скважин в рыхлых породах: песках, супесях, галечниках. При канатно-ударном бурении применяют желонки с плоским и полусфери­ческим клапаном (рис. 15.5). Желонки с плоским клапаном предназна­чены для удаления крупных кусков породы и гальки, с полусфериче­ским клапаном - для очистки забоя от мелкозернистой породы. При разведке россыпей используют поршневые желонки с плоским и шаро­выми клапанами (рис. 15.6).

Диаметры желонок для бурения разведочных скважин на россы­пи 114, 168 и 219 мм; длины – 3 - 4 м. Диаметры башмака должны быть больше желонки на 6-12 мм.

Канаты при ударно-канатном бурении применяют как для подвешивания и расхаживания бурового снаряда, так и для спуска в скважину желонок, пробоотборников, обсадных труб и т.д.

В соответствии с назначением канаты делят на инструменталь­ные (для долбежных операций), желоночные (для спуска желонок и пробоотборников) и талевые (для спуска и подъема обсадных труб). Наиболее ответственными канатами являются инструментальные канаты.

В зависимости от назначения канатов применяют различные их конструкции. Канаты прямой свивки более эластичны и обладают повышенной способностью к скручиванию и раскручиванию вследствие того, что направления свивок проволок в пряди и прядей в канате сов­падают. Поэтому для инструментального канала выбирают канат пря­мой свивки. С целью предотвращения самопроизвольного развертыва­ния бурового снаряда под действием раскручивающегося каната, канат выполняют с прямой левой свивкой.

Желоночные и талевые канаты имеют крестовую (левую или пра­вую) свивку.

Запас прочности инструментального каната должен быть не ме­нее 10 при коэффициенте прихвата снаряда, равном 1,5. Запас прочности остальных ка­натов в соответствии с правилами безопасности должен быть не менее 3.

Для срыва и затяжки резьбовых соединений применяют инструментальные ключи.

Рис. 15.3. Элементы бурового снаряда: а - ударная штанга: 1, 4 -резьбы; 2 - корпус; 3 - лыски; б -раздвижная штанга (ножницы): 1, 5 - резьбы; 2, 3- звенья; 4 - лыски

Рис. 15.5. Конструкции желонок: а-с плоским клапаном и резьбовой головкой для присоединения к ударному снаряду; б-с плоским клапаном и дужкой для присоединения каната; в-с полусферическим клапаном и языком-рыхлителем.

Рис. 15.6. Желонки поршневые: а - с плоским клапаном и поршнем: 1 - башмак; 2 - клапан; 3 - поршень; 4 - резиновый клапан; 5 - шар­нир; 6 - корпус; 7 - окно; 8 - шток; 9 - кольцо для присоединения каната; б - с шаровым клапаном и поршнем: 1 - башмак; 2 - шаровой клапан; 3 - корпус; 4 - поршень; 5 - втулка; 6 - гайка; 7, 9- резино­вые амортизаторы; 8-шток; 10 - дужкадля присоединения каната

Крепление скважин при разведке россыпных месторожде­ний во многих случаях производят параллельно с бурением и в процессе бурения, поэтому его относят к технологическим операциям, а обсадные трубы (табл. 15.5), как и буровой снаряд, к технологическому инстру­менту.

Обсадные трубы применяют двух исполнений: с муфтовыми и безмуфтовыми соединениями (труба в трубу). Обсадные трубы с муфтовыми соединениями применяют в основном для крепления верх­ней приустьевой части скважины, бурящихся в устойчивых мерзлых по­родах на глубину 8 - 12 м.

Рис.15.7. Схемы забивного (а) и выбивного (б) снарядов: 1 - канат; 2 - канатный замок; 3 - забивной элемент; 4 - забивная многосту­пенчатая головка; 5 - обсадная труб; 6 -штанга; 7 - выбивная головка; 8 — ударный элемент;

Для крепления стенок скважины в процессе бурения используют обсадные трубы безмуфтовых соединений (табл. 15.5). Такие соединения имеют меньшее сопротивление при забивании и извлечении обсадных труб.

Таблица 15.5

Забивные башмаки желонок (табл. 15.6) предназначены для предохранения нижнего конца обсадных труб от смятия. Башмаки имеют вид толстостенного кольца, нижняя часть которого заканчивается закаленным лезвием.

Таблица 15.6

Забивные и выбивные головки (рис. 15.7) служат для предупреж­дения смятия обсадных труб при их забивании и извлечении. Они пред­ставляют собой массивные втулки с резьбой для соединения с обсадны­ми трубами. Для забивания и извлечения обсадных труб используют ударную штангу с ударным элементом или бабкой.

Бабки (забивные плашки) предназначены для передачи удара от ударной штанги на обсадные трубы. Они представляют собой две плаш­ки с граненым окном между ними для установки на высадку ударной штанги. Плашки соединяют двумя болтами.

Хомуты для обсадных труб служат для удержания обсадных труб на весу при их спуске.