Получить консультацию
Горячая линия: +7 (812) 922-12-43

3. БУРЕНИЕ С ПРОДУВКОЙ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

3.           БУРЕНИЕ С ПРОДУВКОЙ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

3.1.        Требуемый объем воздуха

 Параметры компрессора связаны с возможным диаметром скважины: для эффективного бурения важно, чтобы скорость восходящего воздушного потока была достаточно высокой для переноса шлама. Следует отметить, что эта скорость значительно выше скорости потока воды/промывочной жидкости из-за меньшей способности воздуха удерживать материал (табл. 3.1 и 3.2). Объем подачи воздуха указывается изготовителем компрессора в кубических метрах в минуту, литрах в секунду или кубических футах в минуту при атмосферном давлении. Это единицы расхода или объема, а не давления или силы.

На самом деле, использование сжатого воздуха при проходке в мягких пластах вызывает эрозию стенок, из-за чего процесс приходится останавливать. Важным требованием является принятие мер по предотвращению обвала верхнего края скважины и поддержание ее неизменного диаметра от забоя до устья. В качестве такой защиты на устье скважины устанавливается короткая секция обсадной трубы, называемая кондуктором, диаметр которой на несколько миллиметров больше диаметра долота. Кондуктор опускается до глубины 500 мм и выходит над устьем на 100-300 мм. Его выступающая над уровнем земли кромка обеспечивает эффективное выдувание выбуренных фрагментов, но не позволяет им падать обратно в скважину при прекращении подачи сжатого воздуха. Конечно, при более мощном мягком верхнем слое требуется установка кондуктора увеличенной длины (рис. 3.1).

Диапазон скорости восходящего потока: 900-1200 м/с; требуемая производительность компрессора рассчи­тывается по следующей формуле:

(D2 - d2) x 0,5 = м3/мин;

где:

D = диаметр скважины в дюймах; d = диаметр бурового снаряда в дюймах.

Так определяется минимальная требуемая подача; для получения значения максимальной или оптималь­ной подачи к этой величине добавляется одна треть.

Пример:

Скважина диаметром 6 дюймов (150 мм) бурится с помощью бурового снаряда диаметром 3 дюйма (76 мм). (62 - 32) х 0,5 = (36 - 9) х 0,5 = 27 х 0,5 = 13,5 м3/мин.

 

Табл. 3.1. Расчет требуемой производительности компрессора

 

 

Производительность

компрессора

Максимальный диаметр долота

м3/мин

л/с

куб.

фут/мин

Диаметр снаря­да:

58 мм (2-1/4 д.)

Диаметр снаря­да:

76 мм (3 д.)

Диаметр снаря­да:

89 мм (3-1/2 д.)

мм

дюймы

мм

дюймы

мм

дюймы

3

50

100

85

3

 

 

 

 

5

80

175

100

4

115

4-1/2

125

5

7

120

250

115

4-1/2

125

5

140

5-1/2

10

175

375

125

5

140

5-1/2

150

6

13

210

450

140

5-1/2

150

6

165

6-1/2

17

280

600

150

6

165

6-1/2

175

7

Коэффициенты перевода единиц измерения:

м3/мин

x 16,66

= литры в секунду

м3/мин

x 35,31

= кубические футы в минуту

 
Табл. 3.2. Максимальный диаметр долота для заданной производительности компрессора
 
 

Рис. 3.1. Схема бурения с продувкой сжатым воздухом

3.1.1.    Давление подачи воздуха

Еще одним важным параметром, указываемым изготовителем компрессора, является развиваемое им давление (в барах или фунтах на квадратный дюйм). Большинство промышленных компрессоров подают воздух под давлением не менее 6 бар (100 фунт/кв. дюйм), а специализированные агрегаты способны развивать до 20 бар (300 фунт/кв. дюйм). Данный параметр обуславливает эффективность очистки скважины и является наиболее важной характеристикой используемого в бурении компрессора. Чем выше давление, тем больше энергии передается на поршень пневмоударника и, следовательно, на долото, увеличивая скорость проходки. Давление также необходимо для подъема из скважины всей оставшейся воды. Компрессор на 6 бар способен поднять с забоя 60-метровый водяной столб. Таким образом, для подъема чистой воды из достаточно глубоких скважин с высоким уровнем подземных вод может потребоваться высоконапорная подача воздуха.

3.1.2.    Безопасность

Сжатый воздух, особенно подаваемый в большом объеме (как при бурении), представляет смертельную опасность. При разрыве шланга или отрыве его концевого фитинга оборвавшийся конец начинает очень быстро и сильно дергаться в разные стороны. Все соединительные шланги и фитинги должны быть рассчитаны на соответствующее давление (на большинстве качественных шлангов номинальное давление указано на внешней оболочке). В европейском законодательстве по обеспечению безопасности указана необходимость в снабжении шланга предохранительной цепью или тросиком, один конец которого закрепляется на выпуске машины, а другой - на внешней оболочке шланга. Это предотвращает биение шланга в случае его отрыва. Гибкий шланг между компрессором и буровым станком не должен иметь механических повреждений, таких как сплющивания или перегибы, а шланговые муфты и крепежные болты подлежат регулярной проверке на плотность посадки и затяжки. Заменять шланги с видимыми признаками чрезмерного эксплуатационного или возрастного износа (например, с треснувшей внешней оболочкой).

3.2.        Устойчивость стенок скважины

В отличие от бурения с промывкой, бурение с продувкой не обеспечивает какую-либо защиту от обрушения стенок скважины.

3.3.        Заканчивание скважины

Расхожим мнением является то, что чем тверже порода, тем проще буровая компоновка. И это правда, если используется правильно подобранный инструмент.

При бурении в консолидированных породах снаряд обычно не поднимается с забоя, чтобы обеспечить подъем вскрытой воды на поверхность с помощью сжатого воздуха, проходящим через забой. Сначала вода будет загрязнена шламом, но постепенно она очистится до полной прозрачности (рис. 3.2). Импульсная подача воздуха может помочь в скважинах со слабым водопритоком: поднимающийся и опускающийся столб воды очищает стенки скважины, промывая водозаполненные трещины и удаляя из них твердые обломки.

 

Рис. 3.2. Бурение со сжатым воздухом - вскрыт водоносный горизонт

 

Долото имеет шлицевое соединение с основанием пневмоударника, а весь узел прижимается к забою с небольшим усилием и медленно поворачивается, что позволяет твердосплавным штырям работать по всей площади забоя. Ударное устройство снабжено системой воздухораспределительных каналов в стальном цилиндре, через которые воздух попадает из каждого его конца в тяжелый внутренний стальной поршень. Когда долото прижато к забою, поршень поднимается под действием воздуха, подаваемого через буровой став, и быстро сбрасывается на верх долота, передавая на него мощный импульс ударной энергии. Этот процесс повторяется несколько раз в секунду. Чем выше развиваемое компрессором давление, тем быстрее поршень падает на долото и больше энергии передается.

Для прекращения ударного действия поршня закрепленный на буровом ставе пневмоударник приподнимается на несколько сантиметров, и долото выскальзывает из его корпуса, открывая другие воздушные каналы. Поршень остается неподвижным, а сжатый воздух непрерывно подается через долото для удаления бурового шлама. В действительности, продувка забоя через долото происходит и в процессе бурения во время работы поршня.

3.4.        Погружные пневмоударники

Для бурения с продувкой требуется подача большой энергии. Как обсуждалось выше, в мягких породах эта энергия расходуется неэффективно, что часто приводит к интенсивной эрозии или обрушению стенок скважины (достаточно просто представить себе, как мощная струя сжатого воздуха направляется на кучу рыхлого песка). Однако если эта энергия используется вместе с соответствующим инструментом - погружным пневмоударником (рис. 3.3), - она расходуется только на дробление и измельчение породы и ее последующий вынос из скважины.

 

3.5.        Лопастные долота

Для разбуривания лопастными долотами с продувкой сжатым воздухом подходят достаточно мягкие и одновременно достаточно устойчивые породы. Пневмоударник применяется только при невозможности эффективного разрушения пород только лопастным долотом.

3.6.        Разрушающая мощь

Погружной пневмоударник - это ценный дополнительный инструмент, пригодный для использования на станках для вращательного бурения любого класса. Для этого нужно медленно его поворачивать под номинальной нагрузкой. Энергия сжатого воздуха позволит пробурить даже самые твердые породы, непроходимые традиционным способом.

Эти высокотехнологичные инструменты получили массовое распространение в горнодобывающей промышленности, где важнейшим экономическим фактором является стоимость метра бурения взрывной скважины. Буровое долото из упрочненной стали с выпуклым ударным профилем имеет каналы для подачи сжатого воздуха на забой для удаления выбуренного шлама, а в его фронтальную часть заделаны твердосплавные штыри.

 

Рис. 3.3. Погружной пневмоударник с фиксатором и ключом

 

В случае водопритока, вызывающего налипание материала, или вскрытия рыхлого или мягкого грунта регулярное удаление шлама станет невозможным. В таких ситуациях может помочь ввод пены или воды, но при этом бурильщик должен каждый раз поднимать пневмоударник на полметра, чтобы обеспечить очистку скважины увеличенным объемом воздуха. Хотя мощный пневмоударник и способен разрушать твердую породу, для его плотного прихвата в скважине достаточно незначительного скопления породных частиц или образования кольца влажной мелкой пыли над ним.

3.7.        Типы пневмоударников

Существует два типа конструкции погружных пневмоударников: клапанный и бесклапанный. Пневмоударник первого типа снабжен тарельчатым клапаном, регулирующим подачу сжатого воздуха для контроля хода поршня. Использование таких устройств ограничивается низким рабочим давлением. Кроме того, при добавлении слишком большого объема пены/воды они часто забиваются (см. «Бурение с добавлением пены»). В настоящее время более распространены бесклапанные пневмоударники, поток воздуха в которых регулируется профильными поршнями и цилиндрами. Они пригодны для использования при высоком рабочем давлении и обеспечивают беспрепятственный проход вводимой пены/воды.

Твердая сухая порода может разбуриваться с постоянной скоростью и эффективным выносом шлама на поверхность нагнетаемым через пневмоударник воздухом, особенно при правильном выборе компрессора с учетом диаметра бурящейся скважины. После проходки на одну буровую штангу долото пневмоударника можно приподнять над забоем для подачи большего объема воздуха для быстрого удаления оставшихся выбуренных фрагментов. Подаваемый на пневмоударник сжатый воздух должен быть чистым. В идеальном случае, буровые штанги при бурении с промывкой должны храниться отдельно от штанг для пневмоударного бурения. Если это невозможно, и в обоих случаях используются одни и те же штанги, их следует очищать изнутри и закрывать с обоих концов резьбовыми пластмассовыми крышками. Общепринятым методом является продувка каждой новой наращиваемой штанги: сначала она закрепляется во вращателе, затем не присоединяя к уже находящемуся в скважине снаряду продувается сжатым воздухом в течение нескольких секунд для удаления всех загрязнений внутри нее.

Завершив бурение скважины и подняв пневмоударник на поверхность, в него вводится небольшое количество масла, после чего выполняется продувка для обеспечения смазки скользящих частей, что особенно необходимо в случае ввода воды/пены. Устанавливая или демонтируя пневмоударник, его можно перевернуть рукой и проверить свободу хода поршня вверх и вниз внутри корпуса цилиндра (это сопровождается глухим звуком). Эта процедура выполняется только при выключенном двигателе! Многие буровые бригады проверяют правильность работы Пневмоударник перед его спуском в скважину, подвесив его во вращателе и нанеся несколько ударов коротким и твердым деревянным бруском (не использовать стальной предмет, так как он может повредить твердосплавное вооружение).

3.8.        Обратный клапан

Для бурения «ниже уровня воды» после вскрытия водоносного горизонта пневмоударник должен быть оснащен обратным клапаном, что обеспечивает подачу воздуха через буровой став на пневмоударник, но исключает его возврат обратно в буровой став. Это позволяет отсоединять став для добавления штанг и предотвращает попадание загрязненной шламом воды в поршень пневмоударника и механизм клапана. Большинство современных пневмоударников имеют обратный клапан, но за ними необходимо следить для поддержания в рабочем состоянии.

3.9.        Общие рекомендации по обеспечению надежной работы пневмоударника

3.9.1.    Смазка

Изготовители погружных пневмоударников рекомендуют непрерывно смазывать их посредством специального мелкодисперсного масла, добавляемого в нагнетаемый воздух. Лубрикаторы в линиях подачи сжатого воздуха входят в оснащение большинства современных буровых агрегатов. На самом деле, во многих случаях пневмоударники надежно работают и без специального масла, доставка которого может быть затруднена, особенно на удаленных объектах. Для очистки скважины и предотвращения налипания материала при бурении водяных скважин предпочтительней вводить воду/пену, и вода выполняет роль смазки.

Широко распространенной альтернативой лубрикатору является ввод небольшого количества чистого масла в буровой став при каждом наращивании штанги, что обеспечивает смазку.

Данная методика чаще всего применяется для больших дорогостоящих долот, предназначенных для высокопроизводительного бурения.

3.9.2.    Скорость вращения

Скорость вращения при бурении с большинством пневмоударников малого класса должна составлять 20-30 об/мин. Вращение требуется только для обеспечения равномерного разрушающего воздействия твердосплавных штырей на забой. Слишком быстрое вращение никак не повышает эффективность бурения. О слишком высокой скорости свидетельствует значительно больший износ и сплющивание внешнего ряда штырей долота по сравнению с внутренним рядом.

3.9.3.    Обслуживание долот

Со временем твердосплавные штыри теряют свою исходную форму и подлежат восстановлению с помощью алмазных отрезных кругов и заточного инструмента.

бурения в твердых породах на горнодобывающих предприятиях с максимальными производственными характеристиками, и в большинстве случаев они легко справляются с менее сложным бурением водяных скважин.

3.9.4.    Переборка пневмоударника

Со временем, погружной пневмоударник неизбежно перестает работать, поэтому буровая бригада должна иметь средства и обладать умениями для его очистки, проверки и сборки на месте бурения. Во многих случаях отказ пневмоударника вызван легким застреванием поршня. Его корпус имеет свинчивающуюся конструкцию из упрочненной стали, и во время эксплуатации он может очень сильно затянуться. Для развинчивания корпуса требуются мощные инструменты для захвата цилиндра и концов пневмоударника. На многих пневмоударниках, имеются большие лыски, под специальный рожковый ключ из стали, изготовленный методом плазменной резки. Стандартные разводные и цепные ключи имеют ограниченное применение, поскольку они не могут надежно зацепиться за упрочненную сталь компонентов пневмоударника. Для удержания цилиндра требуются фиксаторы или зажимные ключи. Развинчивание резьбового соединения с их помощью лучше всего выполняется путем ударов кувалдой, а не приложением усилия на рукоятку. Альтернативным вариантом является развинчивание еще работоспособного пневмоударника. Обстукивание находящегося под вращателем устройства с одновременной подачей сжатого воздуха и долотом, опирающимся на толстый деревянный брусок, позволяет ослабить резьбовые соединения и легко разделить пневмоударник (без вращения или даже с обратным вращением).

Необходимо запомнить порядок разборки и точное положение этих нескольких компонентов, чтобы затем правильно собрать устройство. Они должны быть очищены, смазаны и перемещаться свободно. Пневмоударник неизбежно изнашивается, поэтому большинство изготовителей указывают допустимую степень износа (например, между поршнем и цилиндром) в своих инструкциях по эксплуатации. Некоторые модели пневмоударников имеют сменные поршни и гильзы цилиндров. Заметное снижение характеристик пневмоударника, используемого в чистых условиях при бурении водяных скважин, происходит лишь через один-два года. В общем, эти устройства разрабатывались для применения в жестких условиях добычного.

3.10.      Предупредительные меры

При использовании пневмоударника с любым буровым оборудованием, в том числе и малого размера, необходимо принять меры предосторожности. Сильное ударное воздействие поршня пневмоударника, падающего на разрушающее породу штыревое долото, частично передается вверх на буровой став, создавая напряжения и деформации на компонентах. Больше всего это будет ощущаться на сварных соединениях, поскольку сварка часто влияет на состояние стали; при этом возникают точки напряжения, где может произойти поломка/разрушение в процессе бурения. Свидетельством воздействия этой «кинетической» энергии часто является ослабление болтов и винтов компонентов вращателя. Для обеспечения неизменной работоспособности оборудования, постоянно используемого с пневмоударником, требуется особое обслуживание и своевременная замена его частей.

Ниже приведены рекомендации в отношении эксплуатации пневмоударника.

3.10.1.  Демпферы

Демпферы устанавливаются непосредственно над пневмоударником для снижения ударной нагрузки, передаваемой вверх по буровому ставу на компоненты станка.

Подходящие буровые штанги

Необходимо использовать штанги с параметрами, подходящими для конкретной работы. Все соединения между легкими штангами и резьбовыми бурильными замками проектируются и рассчитываются с учетом воздействия тепла, выделяющегося в процессе сварки и изменяющего основные характеристики и свойства материала, а также влияния сплавления разных сталей и возникающих механических напряжений.

3.10.2.  Подходящие переходники

Резьбовые переходники, соединяющие Пневмоударник с буровым ставом или став с вращателем, должны быть изготовлены из высокопрочной углеродистой стали в виде цельного компонента. Не ремонтировать и не выполнять соединения путем сварки.

Отдельные булыжники диаметром от 100 мм до нескольких метров имеют хорошо окатанную форму, полученную в результате постепенного сползания вниз по склону, и обладают высокой твердостью. Лопастное долото способно срезать и удалять мелкий и мягкий цемент, а также гальку диаметром до 30-50 мм, однако режущая кромка не сможет войти в более крупные булыжники: при увеличении нагрузки на долото булыжник просто будет вдавливаться в мягкий окружающий цемент. Бурение с промывкой или добавлением пены в таких случаях бесполезно. Погружной пневмоударник легко разрушает булыжники, но выходящая из него струя сжатого воздуха будет выдувать мягкий заполняющий материал.

3.11.      Эффективное использование энергии

Рассмотрев несколько примеров расхода воздуха при бурении скважин определенных диаметров, становится очевидным, что для этого могут потребоваться достаточно большие объемы сжатого воздуха (см. табл. 3.1). Его производство крайне неэффективно: для обеспечения подачи 2 литров в секунду требуется мощность примерно 2 кВт. Следовательно, если не брать скважины минимального диаметра, самым значимым компонентом бурового оборудования с точки зрения затрат, характеристик и технологичности может являться компрессор.

3.12.      Осложнения при бурении - булыжники

Наибольшие осложнения при вращательном бурении, особенно при ограниченной мощности оборудования, встречаются на участках у подножия гор, сложенных крупными окатанными булыжниками, пространство между которыми заполнено рыхлым мелкозернистым материалом.

БУРЕНИЕ СКВАЖИН НА ВОДУ Автор: Питер Болл