Гидроударное бурение: эффективность в твердых породах

Ударно-вращательное бурение. Одним из способов повышения эффективности колонкового бурения является усиление разрушающего воздействия инструмента на породу путем сообщения ему дополнительно ударного импульса. Принцип сочетания вращательного и ударного способов разрушения пород положен в основу комбинированного ударно-вращательного бурения. Это осуществляется включением ударного механизма, помещенного в бурильной колонне непосредственно выше колонкового снаряда.

Разрушение породы при ударно-вращательном способе происходит в результате суммарного воздействия ударных импульсов, осевой нагрузки и крутящего момента. Забойные ударные механизмы делятся на гидравлические — гидроударники и пневматические — пневмоударники. Гидроударники используют энергию потока промывочной жидкости, подаваемой к породоразрушающему инструменту. При этом кинетическая энергия жидкости преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня-бойка, который наносит удары по наковальне породоразрушающего инструмента.

Гидроударники по конструкции разделяются на машины четырех видов:
1) прямого действия с возвратными пружинами;
2) двойного действия;
3) обратного действия;
4) непосредственного гидросилового действия.

Гидроударники прямого действия — машины, в которых разгон ударника и удар его по наковальне, жестко связанной с породоразрушающим инструментом, осуществляются под действием энергии потока промывочной жидкости, а возврат ударника в исходное положение — за счет сжатой при прямом ходе пружины. Эти машины получили наибольшее применение.

В гидроударниках обратного действия разгон ударника и удар его по наковальне осуществляется под действием массы ударника и энергии пружины, а подъем — взвод ударника (сжатие силовых пружин) — давлением промывочной жидкости. В гидроударниках двойного действия прямой и обратный ходы ударника осуществляются под действием энергии потока промывочной жидкости при отсутствии силовых пружин. В гидроударниках непосредственного гидросилового действия рабочая жидкость при периодически изменяющемся давлении действует непосредственно на поршень, жестко связанный с породоразрушающим инструментом.

Работа гидроударника прямого действия осуществляется по следующей схеме (рис. 20). Под действием потока промывочной жидкости поршень с нарастающей скоростью движется вниз, сжимая возвратные пружины. В определенный момент клапан, перекрывающий канал в поршне, останавливается и отрывается от поршня. Поршень-ударник под действием приобретенной кинетической энергии движется вниз и в конце хода наносит удар по наковальне, под действием которого породоразрушающий инструмент производит разрушение породы на забое. В этот отрезок времени жидкость свободно проходит к забою через канал в поршне ударника.

Рис. 20. Схема работы гидроударника

После нанесения удара под действием сжатых пружин и отскока поршень и клапан возвращаются в исходное положение. При встрече поршня с клапаном поток промывочной жидкости перекрывается и цикл повторяется в той же последовательности (см. рис. 20). Гидроударники бывают среднечастотными (1200-1500 ударов в 1 мин) и высокочастотные (2000-3000 ударов в 1 мин).

Основные параметры режима гидроударного бурения— осевая нагрузка, частота вращения, расход промывочной жидкости.

Оптимальная частота ударов на один оборот коронки исчисляется по формуле m_об = πD_cp/l_о, где D_cp — средний диаметр коронки; l_о — оптимальное расстояние пробега резцов между ударами. Для пород IX-XI категорий l_о = 5-2 мм, а для пород VII-VIII категорий по буримости l_o = 8-6 мм. Оптимальная частота вращения коронки определяется по формуле n = m_уд/m_об = m_yдl_o/πD_cp, где m_уд — частота ударов в 1 мин, развиваемая гидроударником. Обычно рекомендуется применять максимальные нагрузки и частоты вращения в монолитных породах, минималыше — в трещиноватых; в абразивных породах частота вращения снижается, а расход промывочной жидкости увеличивается и т.д.

Гидроударное бурение производится специальными твердосплавными и алмазными коронками. Применение гидроударного бурения позволяет резко увеличить скорость проходки скважин, особенно по твердым породам, а также в большинстве случаев обеспечивает значительное снижение интенсивности искривлений скважин. При бурении скважин с продувкой ударно-вращательное бурение осуществляется с помощью пневмоударников. Принципиально этот способ не отличается от гидроударного бурения.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.