15.2. Технология ударно-канатного бескернового бурения

Высокая ценность полезного ископаемого и сложные гео­логические условия бурения скважин требуют повышенного внимания к опробованию полезного ископаемого, тщательному отбору проб. По­этому качество опробования при ударно-канатном бескерновом бурении выдвигают на первый план. Естественно, производительность бурения также имеет существенное значение, но она носит подчиненный харак­тер. Все это требует при разработке технологии ударно-канатного буре­ния считаться с качеством и количеством пробы, которая может полу­читься при тех или иных параметрах режима бурения.

Чтобы обеспечить успешную и качественную проходку скважин, необходимо не только правильно контролировать ее в процессе буре­ния, но и использовать контрольно-измерительную аппаратуру, отве­чающую современным требованиям (индикатор Псарева, регулятор по­дачи, расходомеры промывочной жидкости и т.д.). Только правильная организация труда на буровой может обеспечить успех всех геологораз­ведочных работ.

Выбор технологических параметров необходимо начинать с анализа перебуриваемых горных пород. Все горные породы при ударно-канатном бурениии по буримости делят на шесть категорий. При разведке рос­сыпных месторождений бурение ведется только по раздельнозернистым породам (от глин до валунов), как талым, так и связанным льдом. Эти горные породы принято подразделять на четыре группы (табл. 15.7).

При бурении мерзлых горных пород вследствие значительной устойчивости стенок крепление скважин трубами производят только в верхней части интервала деятельного слоя на глубину 8-12 м. Осталь­ную часть скважины бурят без крепления обсадными трубами. Такую технологическую схему бурения В.П. Кренделев [18] назвал «бурение без труб».

Таблица 15.7

Стенки скважин в талых породах неустойчивы, легко обвалива­ются, поэтому бурение производят только с креплением стенок обсад­ными трубами.

В рыхлых обводненных горных породах (плывунах) для предотвращения подъема горной массы в обсадных трубах крепление скважин проводят с опережением забоя на величину равную высоте столбика оп­робования плюс предохранительного столбика. Высота столбика опробования составляет 0,2-1,0 м, а предохранительного столбика в зависимости от напора плывуна от 0,10 до 0,50 м. Такую технологическую схе­му В.П. Кренделев назвал «бурением в трубах».

При бурении горных пород с большим количеством гальки и ва­лунов крепление скважин с опережением забоя невозможно. Поэтому вначале проводят долбление (рыхление породы) на глубину 0,2-1,0 м, взятие пробы, затем забивают обсадную колонну на интервал опробо­вания. Такую схему В. П. Кренделев назвал «бурением ниже труб».

Наиболее рациональным диаметром обсадных труб по качеству опробования и производительности бурения является диаметр 168 мм. Трубы диаметром 219 мм служат для крепления устья скважины.

После анализа свойств горной породы и выбора технологической схемы бурения подбирают породоразрушающий инструмент - долото. Правильный выбор типа долота во многом определяет качество опробо­вания и производительность бурения. Как качество опробования, так и производительность бурения зависят от контактной поверхности лезвий долота. При уменьшении длины лезвий и угла их заточки уменьшается затрамбовывание золотин в стенки скважин, увеличивается механиче­ская скорость бурения. Наименьшей длиной лезвия и наименьшим уг­лом заточки обладают плоские долота, поэтому они являются наиболее производительными. Оказывается, что даже при бурении горных пород IV группы это долото наиболее эффективно, хотя требует повышенного внимания к процессу со стороны бурильщика.

Только при невозможности использования плоских долот, вслед­ствие образования продольных канавок и неровностей на стенках сква­жины, в горных породах высоких категорий при бурении трещиноватых пород и валунно-галечниковых отложений ниже труб рекомендуется использовать округляющие долота.

Крестовые и пикообразные долота используют только для раскалывания и смешения валунов значительной крепости, когда требуются долота значительной прочности с большим углом заточки.

После выбора долота производят выбор параметров технологиче­ских режимов бурения. К параметрам режимов ударно-канатного бескернового бурения относят энергию удара (которую определяют по массе снаряда, высоте его сбрасывания и величине навески), частоту сбрасывания, количество подливаемой в скважину жидкости и длину рейса.

Массу снаряда, кг, выбирают в зависимости от крепости гор­ной породы:

Q = pL, (15.1)

где р - удельная масса снаряда, приходящаяся на 1 см лезвия, кг; L -длина лезвия, см.

Удельная масса снаряда для бурения: мягких пород I и II группы составляет 25-40 кг/см, средних пород III группы - 40-50 кг/см, крепких пород IV группы - 50-70 кг/см.

Масса снаряда в сборе регулируется подбором соответствующего комплекта бурового снаряда:

Q₀ = Q_ш + Q_p + Q_д, (15.2)

где Q_ш, Q_p - вес ударной и раздвижной штанг; Q_д - вес долота.

При этом следует помнить, что общая длина бурового снаряда должна быть короче длины мачты не менее чем на 1 м (для расходки снаряда). Для буровой установки БУУ-2, предназначенной для бурения при разведке россыпных месторождений, она не должна превышать 11 м.

Высота сбрасывания снаряда для этой установки составляет 0,5; 0,7 и 1,0 м, ее регулируют (с помощью пальца кривошипа ударного механизма) в зависимости от крепости и вязкости пород: по мягким по­родам 0,5 м; по средним породам 0,7 м; по крепким и трещиноватым породам 1,0 м.

Существенное влияние на энергию удара оказывает высота навески долота над забоем в крайнем верхнем положении рамы ба­лансира (при самом нижнем положении опущенного в скважину доло­та). Если высота навески будет меньше оптимального значения, то канат при ударе долота ослабеет и при перемещении балансирной рамы вниз снаряд поднимется на меньшую высоту, что снизит его потенциальную энергию. Кроме того, ослабление каната после удара долота по забою приводит к отклонению верхнего конца снаряда и при очередной на­тяжке каната появятся резкие рывки, вредно сказывающиеся на рабо­те станка. Если величина навески будет больше оптимальной, на забой будет передаваться не вся потенциальная энергия и часть ее будет по­глощаться натянутым во время удара канатом.

Оптимальная высота навески долота зависит от удлинения каната при его растяжении, величины сжатия амортизатора мачты, от глубины внедрения долота в горную породу забоя, которая в свою очередь зави­сит от крепости горной породы:

= l_к + 2 l_а + h, (15.3)

где l_к - величина растяжения каната; 2 l_а - величина сжатия амортиза­тора; h - углубления долота при ударе.

Значения l_к и l_а для данного станка постоянны и их легко корректировать при помощи силы прижатия тормоза инструментального барабана лебедки (величины подачи инструмента).

Главным фактором изменения высоты навески долота остается прочность породы. Исследования М.К. Псарева [18] показывают, что ориентировочно высоту навески долота можно принять равной

= , см, (15.4)

где f - коэффициент крепости горной породы по шкале М.М. Протодьяконова. При бурении в мягких породах высота навески должна быть равной 0-0,5 см, средней твердости 1-3 см, твердых породах 4-7 см, трещиноватых породах - 1-2 см. На практике высоту навески буриль­щик определяет по натяжке каната перед бурением в верхнем положе­нии балансира, а при бурении - по степени колебания каната, в соот­ветствии с чем регулирует величину подачи долота тормозом лебедки. Степень точности регулирования высоты навески долота при таком ре­гулировании зависит от субъективных особенностей бурильщика. Для более точной регулировки высоты навески М.К. Псарев предложил ин­дикатор (рис. 15.9), которая выглядит тка.

Верхний конец стальной проволоки 1 закреплен на каретке го­ловного блока, внизу проволока оттянута стальной пружиной. На про­волоке 1 укреплен при помощи втулки 2 подпружиненный контакт 3. На расстоянии 16-21мм ниже его установлен изолированный от основания контакт 4, соединенный с источником 5. Между контактом 4 и источни­ком тока 5 расположена контрольная лампа.

При бурении с оптимальной навеской долота подпружиненный контакт опускается на 15-20 мм и не доходит до неподвижного контак­та на 1 мм, контрольная лампа не загорается. При увеличении высоты навески осадка аммортизатора увеличивается и в процессе ударов подпружиненный контакт касается неподвижного контакта, лампа загора­ется, что является сигналом для снижения высоты навески.

Частота ударов долота зависит от глубины скважины и высо­ты сбрасывания. Чем больше высота сбрасывания снаряда, тем меньше должна быть частота ударов долота. Станок БУУ-2 имеет две частоты сбрасывания 62 и 41 уд/мин.

Рис.15.8. Датчик индикатора: 1 - проволока; 2 - втулка; 3, 4- контакты; 5 - источник тока; 6 - лампа

Для перемещения разрушенной горной породы в процессе бурения с забоя во взвешенное состояние с це­лью возможности дальнейшего эффективного долбления горной породы в скважине необходимо иметь столб воды. При отсутствии воды в скважи­не ее следует подливать по мере необходимости. Заливка воды в скважину может производиться рей­совым, периодическим и беспрерыв­ным способами. При рейсовом спосо­бе перед каждым рейсом в скважину подливают воду: при диаметре скважи­ны 168 мм – 20 - 30 л, диаметре 219 мм – 30 - 50 л. При периодическом способе это осуществляют пор­циями по 10 - 12 л для мягких и по 3 - 5 л по крепким породам 2 - 3 раза за рейс. Беспрерывный подлив осуществляется самотеком из бака с расхо­дом 0,4 л/с при бурении мягких и 0,1 л/с при бурении крепких пород.

Длина рейса оказывает существенное влияние на качество опробования и производительность бурения. Чем меньше длина рейса, тем выше качество опробования, поэтому продуктивную толщу необходимо бурить с величиной рейса не выше 0,2 м, а при бурении пустых пород с целью повышения производительности бурения длин рейса рекомендуется увеличивать до 0,5-1,0 м.

При креплении скважин в продуктивных отложениях глубину за­бивки обсадных труб в продуктивной толще рекомендуется не превы­шать 0,2-0,5 м, в противном случае вследствие образования в трубах пробки происходит вдавливание горной породы в стенки скважины, что резко снижает достоверность опробования.