Основные способы бурения

Бурение производится при взрывных работах с целью разведки напластова­ний грунтов, залежей каменных материа­лов, для водоснабжения и водопониже-ния и для других производственных целей.

В разрабатываемых породах буриль­ным инструментом бурят цилиндрические отверстия — выработки. Выработку диаметром до 75 мм и глубиной до 6 м называют шпуром, выработку боль­ших размеров — скважиной. Шпу­ры и скважины бывают вертикальными, наклонными и горизонтальными. Начало шпура или скважины у поверхности зем­ли называют устьем, низ — забоем, бо­ковые поверхности — стенками.

Процесс бурения состоит из двух опе­раций: разрушения (отделения) породы на дне скважины и удаления разрушен­ной породы из скважины.

Эффективность бурения скважин и шпуров определяется скоростью бурения, которая зависит от: физи­ко-механических свойств грунта, в ос­новном от сопротивления породы разру­шению под действием бурового инстру­мента; вида и формы бурового инструмен­та и способа его воздействия на забой скважины (ударное, вращательное, удар­но-вращательное и т. д.); диаметра сква­жины и, в ряде случаев, ее глубины; способа, скорости и тщательности удале­ния из забоя скважины буровой мелочи; общей организации и масштаба производ­ства буровых работ.

Трудоемкость бурения породы — б у -римость — характеризуется време-

нем чистого бурения 1 м скважины (шпу­ра) и зависит от крепости породы (табл. IV.1).

Разрушенный грунт (буровая мелочь, шлам) удаляется из скважин глинистым раствором или водой, струей сжатого воздуха, шнековыми устройствами, же­лонками и другими приспособлениями.

Стенки скважины в слабых, рыхлых и насыщенных водой грунтах крепят сталь­ными обсадными трубами. Колонны об­садных труб составляют из звеньев дли­ной 1,5...4,5 м, соединяемых муфтами, ниппелями или свинчиванием (труба в трубу).

В зависимости от геологических и гид­рогеологических условий выработок и их глубины применяют те или иные спо­собы бурения, которые можно подразделить на две основные группы.

К первой группе относятся ударный (ударно-канатный), ударно-вращатель­ный, вращательный, а также вибрацион­ный способы бурения, при которых по­роду разрушают механически, воздейст­вуя на нее породоразрушающими инстру­ментами.

Ко второй группе относятся термиче­ский, взрывной,гидравлический и элект­рогидравлический способы, при которых для бурения используются физико-хими­ческие методы разрушения горных пород.

Ударный (ударно-канатный) способзаключается в том, что буровой снаряд массой 1000...3000 кг падает с опреде­ленной высоты в забой скважины и раз­рушает породу благодаря развивающей­ся при его падении живой силе удара. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, вследствие чего создаются условия для равномерного разрушения всей площади забоя скважины. Во время бурения в

скважину периодически подают воду и образовавшийся шлам вычерпывают же­лонкой.

Станками ударно-канатного бурения бурят скважины в неоднородных и разно-прочных грунтах диаметром до 400 мм и глубиной до 50 м. Из-за сравнительно невысокой производительности станки ударно-канатного бурения вытесняются более производительными станками удар­но-вращательного и вращательного буре­ния.

Принцип ударного бурения использо­ван в пневматических бурильных молот­ках (ручных и колонковых перфорато­рах), которые широко применяются для бурения шпуров диаметром 32...40 и 50...75 мм в полускальных и скальных грунтах.

Ударно-вращательное бурение с по­гружным пневмоударником (пневмоудар-ное бурение) по сравнению с ударно-канатным имеет более высокую скорость; при этом можно бурить направленные (от 0 до 90° к горизонтали) скважины, отсутствует необходимость в подвозке . тяжелого инструмента и снабжении во­дой. Ударное действие и вращение доло­та осуществляются двумя независимыми механизмами. Станками ударно-враща­тельного бурения можно бурить скважи­ны диаметром до 155...200 мм, глубиной : до 36 м в скальных грунтах средней и выше средней крепости (VI—IX катего-'рий по буримости).

К ударно-вращательному бурению ёможно отнести шарошечный способ буре-\ния, который по кинематике действия ^рабочего органа является типично вра-рцательным, а по динамике действия по-|родоразрушающего наконечника — удар-Рным.

Станки шарошечного бурения получи­ли наибольшее распространение для бу­рения скважин диаметром 190...320 мм и глубиной до 35 м в полускальных и скальных грунтах. Основные их досто­инства — высокая производительность (20... 150 м в смену), непрерывность про­цесса бурения и возможность его автома­тизации; недостатки — большая масса станков и малая стойкость долот в труд,-нобуримых породах (VIII—XI катего­рий, табл. IV. 1).

Вращательное бурение заключается в том, что буровой снаряд из штанг шнеко-вого типа с резцовой коронкой, прижа­тый к забою скважины за счет массы стан­ка, получает вращение.от двигателя стан­ка. Резцы коронки при вращении в забое скважины срезают породу, которая в виде мелочи непрерывно удаляется из скважины спиральными витками штанг.

Вращательное бурение скважин осу­ществляется в основном станками шне-кового бурения, а в отдельных случаях, для бурения разведочных скважин в осо­бо вязких абразивных грунтах (для по­лучения керна),— станками алмазного и дробового бурения.

Преимущества вращательного буре­ния — достаточно высокая скорость бу­рения в плотных и полускальных грун­тах и непрерывность процесса, воз­можность бурения как вертикальных, так и наклонных скважин.

При вибрационном бурении применяют вибраторы направленного (вертикально­го) действия, жестко присоединенные к колонне буровых труб, имеющей на кон­це рабочий наконечник. Под действием вибрирующего снаряда некрепкие грун­ты и породы выделяют связанную воду; часть породы в зоне контакта с вибри­рующим наконечником переходит в по­движное состояние, что влечет за собой резкое снижение сопротивляемости грун­та сдвигу и способствует погружению вибробурового снаряда в породу.

Для вибробурения шпуров и скважин диаметром до 125 мм и глубиной до 20... ...25 м применяют самоходные виброуста­новки. При вибропогружении повышает­ся почти в 10 раз скорость проходки сква­жины по сравнению с ударно-канатным бурением, однако с увеличением глубины выработки до 15...20 м скорость резко уменьшается.

Термическое (огневое) бурениеоснова­но на прожигании породы высокотемпе­ратурной газовой струей, выходящей со сверхзвуковой скоростью из сопла огне-струйной горелки. Для получения высо­котемпературной газовой струи исполь­зуют распыленный керосин и газообраз­ный кислород (иногда воздух). Порода нагревается до температуры 2000 °С, уве­личивается в объеме, растрескивается и разрушается на мелкие частицы, которые вместе с продуктами сгорания удаляются из скважины струей охлажденных газов.

Термическое бурение применяется только в исключительно труднобуримых кварцсодержащих скальных, а также в мерзлых грунтах.

Ручные термобуры применяют для бу­рения шпуров диаметром 60 мм и глуби­ной 1,5...2 м, а передвижные станки — для бурения скважин диаметром 250... ...360 мм, глубиной до 17...22 м. Произ­водительность станков в хорошо термо-буримых породах достигает 12... 15 м/ч.

Гидравлическое бурениеосновано на использовании ударного действия тонкой высоконапорной струи воды, подаваемой в забой скважины со сверхзвуковой ско­ростью. Гидравлический способ особенно эффективен при устройстве скважин глу­биной до 8 м в мягких и водонасыщенных грунтах. Эксперименты подтверждают возможность использования этого спосо­ба для бурения скальных грунтов.

Электрогидравлическое бурениеосно­вано на явлении гидравлических ударов, возникающих в жидкой среде вследствие импульсного разряда между разомкну­тыми контактами электрической цепи, к которым подводится высокое напряже­ние. Если в зоне высоковольтных элект­рических разрядов поместить породу, то под действием многократно повторяю­щихся ударов она разрушится. Этот ме­тод находится в стадии промышленных экспериментов.

Применение ультразвукадля бурения скважин и резания пород основывается на совместном воздействии на хрупкую породу ультразвуковых колебаний буро­вого инструмента (частота свыше 20 кГц) и кавитационного эффекта впромывочной жидкости. Источником ультразвука являются мощные магнитострикционные излучатели. Ведутся работы по звуково­му и инфракрасному разрушению пород.

Взрывобурениезаключается в том, что в забой скважины периодически подают­ся ампулы с жидкими компонентами взрывчатого вещества (ВВ) — окислите­лем и горючим. По трубам в воде или из сопла взрывобура посылаются твердые заряды ВВ массой 150...200 г с частотой 20...25 зарядов в час. Может быть также применен взрывобур, являющийся доза­тором непрерывно подаваемого горючего и окислителя (четырехокись азота и ке­росин) и непрерывно (или прерывно) по­ступающего инициатора взрыва (напри­мер, сплава К и Na).

Создаются станки взрывного бурения скважин диаметром до 300 мм и с глуби­ной бурения до 40 м, а также взрывобуры для дробления негабарита.

Плазмобурениезаключается в нагреве забоя скважины плазменным факелом, образующимся в плазмотроне (электри­ческой дуге между электродом и соплом газовой горелки, охлаждаемой водой) при прохождении струи азота или смеси азота и водорода.

Несмотря на создание и внедрение но­вых физических и комбинированных ви­дов бурения, в ближайшее время механи­ческие виды (ударное, ударно-вращатель­ное и вращательное) бурения пород оста­нутся преобладающими.