 |
Глава 8. Бурение неглубоких скважин без очистного агента
|
|
|
|
Глава 8. Бурение неглубоких скважин без очистного агента
8. 1. Общая характеристика группы
В данную группу объединены пять различных видов бурения, обладающих рядом общих признаков:
1 Небольшие глубины скважин, обычно до 20-50 м, отдельные до 100 метров(поскольку все относительно, такие глубины считаются небольшими для геологоразведочного бурения, при бурении нефтяных скважин неглубокими считаются скважины глубиной до 1000 м).
2 Бурение ведётся без применения потока очистного агента, порода на забое при бурении либо уплотняется, либо удаляется буровым инструментом.
3 Бурение ведётся только в мягких и слабых породах (кроме ударно-канатного бурения, применяемого в любых породах).
4 Главные области применения, характерные для этой группы:
- инженерно-геологические изыскания,
- разведка рассыпных месторождений,
- разведка стройматериалов,
- гидрогеологическое и мелкое водозаборное бурение,
- бурение скважин при поисково-съёмочных работах,
- бурение взрывных скважин при сейсморазведке.
Основные данные видов и разновидностей бурения, входящих в данную группу, приведены в табл. 8. 1.
В зависимости от области применения скважин их бурение связано со специфическими особенностями.
Особенности бурения скважин при инженерно-геологических изысканиях
Цель бурения при этих работах – изучение состава и физико-механических характеристик грунтов, определяет необходимость отбора образцов с ненарушенными свойствами (монолитов); требование отбора монолитов предопределяет сравнительно большой конечный диаметр скважины. В отдельных случаях получение информации о свойствах грунтов возможно без извлечения образцов (динамическая и статическая пенетрация). Глубины скважины обычно до 10-15 м., как правило, не превышают 30 метров.
|
|
|
Особенности бурения при разведке рассыпных месторождений
При разведке рассыпных месторождений бурение ведётся, как правило, в сыпучих малосвязанных породах, часто с включением валунно-галечного материала, иногда в многолетнемёрзлых породах. Главная цель бурения точное геологическое опробование, отбор 100% проб при исключении попадания в пробу материала со стенок скважины. Отсюда требование при бурении в неустойчивых породах: одновременно с бурением закрепление стенок скважины обсадными трубами, а при необходимости - с погружением труб впереди забоя. Более подробно это изложено в разделе 13. 1.
Особенности бурения гидрогеологических и водозаборных скважин
При проведении гидрогеологических изысканий и бурении водозаборных скважин главное внимание уделяется фиксированию и испытанию водоносных горизонтов. При этом необходимо обеспечивать изоляцию вскрытых горизонтов. Конструкция и конечный диаметр скважины определяются параметрами фильтра и водоподъёмных средств.
Таблица 8. 1. Характеристика видов бурения неглубоких скважин без очистного агента
|
| Виды и разновидность бурения | Параметры скважин | Кате-гория пород | Главные области применения | ||||
| глубина скважин, м | диаме-тры скважин, мм | |||||||
| Ударное | Ударное бурение грунтов | 89-168 | I-III | Инженерная геология Разведка строительных материалов | ||||
| Ударно-канатное бурение | (500) | 145-900 | I-XII | Разведка россыпей Гидрогеология | ||||
| Медленновращательное и комбинированное | (100) | 89-273 | I-V | Инженерная геология Разведка россыпей | ||||
| Бурение внедрением и винтобурение | 60-90 | I-III | Инженерная геология Поисковые скважины | |||||
| Вибробурение
| Вибрационное | 89-219 | I-III | Инженерная геология Разведка строительных материалов Разведка россыпей | ||||
| Виброударное | I-IV | |||||||
| Виброударно-вращательное | I-V | |||||||
| Шнековое | 60-250 | I-IV | Инженерная геология Разведка строительных материалов Гидрогеология Взрывные скважины | |||||
8. 2. Ударное бурение и его разновидности
Использование ударного воздействия для внедрения бурового инструмента и разрушения породы на забое скважины применяется при бурении в любых породах, как в чистом виде, так и в комбинации с вращательным воздействием. Ударным способом можно разрушать породу по площади кольца – «кольцевым забоем» или по всей площади забоя – «сплошным забоем». При бурении кольцевым забоем порода в центре скважины не разрушается, а попадает внутрь инструмента и извлекается вместе с ним на поверхность в качестве образца. Ударное бурение кольцевым забоем применяется только в мягких породах. Инструмент для такого бурения обычно называется «стакан».
В литературе встречаются различные названия этого варианта бурения – «ударное бурение кольцевым забоем», «ударное бурение стаканами», «ударное бурение грунтов». Примем термин «ударное бурение грунтов».
Другая разновидность ударного бурения заключается в разрушение породы по всему забою с последующим извлечением разрушенной породы специальным инструментом, является универсальной, применяется в любых породах и носит традиционное название «ударно-канатное бурение».
Ударное бурение грунтов
Ударное бурение грунтов применяется, главным образом, при инженерно-геологических изысканиях, при разведке стройматериалов и при гидрогеологических исследованиях. Основное назначение скважин - это получение качественных образцов с ненарушенной структурой. Глубины скважин - 10-15 м, отдельные до 30.
При любом ударном бурении для разрушения или уплотнения породы на забое используется кинетическая энергия движущейся массы. При этом реализация этой энергии (удар) может осуществляться непосредственно на породу забоя, либо посредством промежуточного инструмента. В соответствии со способом передачи энергии удара этот вид бурения подразделяется на два варианта: бурение «клюющим способом» и бурение забивными стаканами (рис. 8. 1).
|
|
|
Рис. 8. 1. Схемы ударного бурения грунтов
а - клюющий способ,
б - забивной способ
При «клюющем» бурении стакан с утяжелителем на канате сбрасывается с достаточно большой высоты на забой скважины, внедряется в породу на глубину 2-20 см. и поднимается на поверхность для извлечения образца. Затем операция повторяется.
При «забивном» бурении стакан погружается в грунт серией наносимых по нему ударов массивным бойком забивного патрона, присоединенного к стакану. Спуск, извлечение стакана и нанесение по нему ударов производится с помощью каната. Величина погружения стакана за один спуск при таком варианте бурения составляет от 0, 2 до 1, 0 метра.
При «клюющем» варианте бурения запас кинетической энергии падающего стакана непосредственно реализуется для внедрения инструмента в породу. Из закона сохранения энергии можно вывести зависимость глубины погружения стакана при одиночном сбрасывании
, (8. 1)
где m-масса стакана с утяжелителем; V0-скорость стакана в момент касания забоя; 
-сумма сопротивления со стороны грунта (лобовое сопротивление и боковое трение); mg-вес снаряда.
Учитывая, что скорость падающего груза пропорциональна высоте сбрасывания – H, т. е. V0=α 
, где α -коэффициент, учитывающий сопротивления воздуха и стенок скважины, и обозначив α 2 через k, получим зависимость
(8. 2)
Поскольку силы сопротивления внедрению намного больше силы тяжести - mg, можно считать, что глубина внедрения стакана прямо пропорциональна его массе и высоте сбрасывания.
Технология ударного бурения клюющим способом сводится к выбору массы инструмента и высоты сбрасывания. Масса стакана с утяжелителем желательна максимально возможной и выбирается из удобства работы с ним и возможности использования легкого бурового оборудования. Практически рекомендуется использовать инструмент массой 100-300 кг. С увеличением высоты сбрасывания возрастает конечная скорость падения и, соответственно, глубина внедрения. Однако, характер возрастания скорости падения с увеличением высоты сбрасывания имеет затухающий вид (рис 8. 2), и большое увеличение высоты сбрасывания становится нерациональным. Из опыта рекомендуется принимать высоту сбрасывания в пределах 3-8 метров. Таким образом, величина углубки стакана за один сброс и производительность бурения зависит, главным образом, от свойств пород и составляет обычно от 5 до 20 см.
|
|
|
Рис. 8. 2. Зависимость скорости стакана в момент встречи с забоем от высоты сбрасывания
При ударно-забивном варианте бурения, в отличие от клюющего, углубка стакана происходит под воздействием серии ударов, наносимых активной массой-m1 по головке стакана (пассивной массе-m2). В этом случае величина погружения стакана за один удар зависит от величин активной и пассивной масс, их соотношения и от скорости, приобретаемой пассивной массой в момент удара-V2, а также от сил сопротивления и веса снаряда и определяется выражением
(8. 3)
Анализ теории и опытные данные показывают, что наиболее эффективно происходит внедрение стакана при примерном равенстве активной и пассивной масс, т. е. желательно чтобы m1»m2, при этом значения масс рекомендуется применять в пределах 50-150 кг.
Высота сбрасывания ударника определяется конструктивными соображениями и обычно составляет 0, 6-1, 0 м.
При ударно-забивном бурении к технологическим параметрам добавляется ещё частота ударов ударника, которая составляет обычно 20-25 ударов в минуту (при наличии ударного механизма до 40), и глубина забивки стакана за один спуск (рейс). Углубка за рейс выбирается из условия допустимого уплотнения породы внутри стакана и возможности извлечения инструмента из скважины. Кроме того, из-за роста сил сопротивления скорость внедрения заметно снижается по мере внедрения стакана. Обычно рекомендуется углубка за рейс в пределах 0, 2-0, 6 м, хотя в отдельных благоприятных случаях она может достигать 1, 0 и даже 1, 5 метра.
Выбор того или иного варианта ударного бурения грунтов зависит от свойств пород, требования к качеству образцов и глубины скважины. Наиболее важно сохранить свойства образцов при бурении в рыхлых, слабых породах. Более высокое качество образцов в этом случае даёт «клюющий» способ. В рыхлых грунтах он будет и более производительным, имея углубку за рейс 15-20 см. Надо учитывать, что с увеличением глубины скважины производительность «клюющего» способа бурения будет заметно снижаться за счет возрастания затрат времени на подъём и сброс стакана. Следовательно, «клюющий» способ бурения следует применять в рыхлых породах при малой глубине скважины. Забивной вариант ударного бурения более эффективен в плотных грунтах и при большей глубине скважин (более 10-15 м. )
|
|
|
При ударном бурении грунтов, как и для всех видов бурения, выделяется две основные группы технических средств: буровой инструмент и буровое оборудование.
Буровой инструмент для ударного бурения грунтов содержит: стаканы, утяжелители, забивные патроны, желонки.
Стакан - отрезок трубы, имеющий на нижнем конце заострённую режущую кромку, а на верхнем - резьбу для присоединения утяжелителя или ударного патрона. В зависимости от условий бурения применяются различные по конструкции стаканы (рис 8. 3).
Режущая кромка может быть выполнена непосредственно на теле трубы или на отдельном кольце-«башмаке», закрепленном на нижнем конце стакана резьбой, заклёпками или сваркой. При бурении рыхлых грунтов применяются башмаки с внутренним скосом, что позволяет за счет некоторого уплотнения породы удерживать образец в стакане при подъёме его из скважины. В плотных грунтах надо применять башмак с наружным скосом, чтобы предотвратить преждевременное уплотнение породы внутри стакана, что приводит к образованию «пробки» и прекращению углубки. При бурении несвязных грунтов применяют стаканы с клапаном или желонки.
Наиболее трудоёмкой операцией при ударном бурении является извлечение образца из стакана. Для облегчения извлечения породы обычно стаканы имеют один или два продольных выреза. Такие конструкции наиболее просты и надёжны, однако, извлечение образца из них весьма трудоёмко и при извлечении нарушается качество образца. Этих недостатков лишены стаканы с разъёмным корпусом, ещё лучше, когда в разъёмном корпусе размещается бумажная или полимерная гильза. Значительно облегчается извлечение породы, и сохраняется качество образца при использовании поршневого стакана. В таком стакане при бурении поршень находится в его верхней части. На поверхности в отверстие поршня вставляется неподвижный штырь, стакан натяжением каната перемещается вверх и поршень аккуратно выдавливает образец.
Утяжелитель или ударная штанга присоединяется к стакану при клюющем способе и представляет собой сплошной металлический стержень с резьбой на нижнем и с серьгой для каната на верхнем концах (рис. 8. 4 а).
При забивном варианте ударного бурения к стакану присоединяется забивной патрон (рис. 8. 4 б), состоящий из корпуса, наковальни и бойка с серьгой для каната.
Рис. 8. 3. Стаканы для ударного бурения грунтов
а - наконечник с внутренним скосом, б - наконечник с наружным скосом,
в - забивной стакан, г - стакан с клапаном (желонка), д - разъемный стакан, е - разъемный стакан с гильзой (1 – разъемный корпус 2 – керноприемная гильза), ж-поршневой стакан (1-поршень, 2-отверстие в поршне для штыря, 3-фиксатор поршня, 4- пазы в корпусе стакана
Стаканы обычно изготавливаются из стандартных обсадных труб или ниппельных заготовок с наружными диаметрами 73, 89, 108, 127, 146, 168, 219, 273 мм. Длина стаканов от 0, 5 до 1, 5 метра.
Оборудование при ударном бурении грунтов представлено буровой установкой, в состав которой входит легкая рама на одноосном прицепе, небольшая мачта, лебедка и двигатель внутреннего сгорания. Ударное воздействие осуществляется подъёмом и сбрасыванием стакана с лебедки станка при ручном управлении лебедкой. Наиболее характерные установки для ударного бурения грунтов: УПБ-15М (рис. 8. 5), УБП-15М-гидропроекта, БУКС-ЛГТ – Ленгипротранса. Основные данные этих установок приведены в табл. 8. 2.
Из универсальных установок, предназначенных для различных видов бурения, для ударного бурения грунтов могут использоваться БУЛИЗ-15, УБР-2М, БУГ-100 и некоторые другие.
Таблица 8. 2. Характеристика установок для ударного бурения
| Параметры | Д-5-25 | УБП-15М | БУКС-ЛГТ |
| Глубина бурения, м | |||
| Диаметр скважин, мм | |||
| Высота мачты, м | 4, 0 | 5, 6 | 5, 0 |
| Масса, кг |
а б
 |
Рис. 8. 4. Ударная штанга
а - утяжелитель,
б - забивной патрон для ударного бурения грунтов
Рис. 8. 5. Буровая установка ударного бурения грунтов УБП-15М
1-каток; 2-стопор шнековый;
3-анкер; 4-лебедка ручная; 5-рама;
6-двигатель; 7-бензобак; 8 -вспомогательный канат; 9-канат; 10-молот; 11-мачта; 12-центратор;
13-направляющий ролик; 14-лебедка; 15-редуктор; 16-задняя опора; 17-ящик для инстумента
Большое разнообразие инструмента и оборудования для ударного бурения грунтов (как и для некоторых других видов неглубокого бурения) вызвано не столько разнообразием геолого-технических условий, сколько многочисленностью организаций (ведомств), создающих такую технику.
Ударно-канатное бурение
Термин ударно-канатное бурение в отличие от ударного бурения грунтов, т. е. кольцевым забоем, применяется к классической разновидности ударного бурения, когда порода разрушается по всей площади забоя долотом, а затем разрушенная порода извлекается из скважины другим инструментом – желонкой. Хотя объёмы и области применения ударно-канатного бурения постепенно сокращаются, оно имеет ещё довольно широкое применение при разведке россыпей, бурении гидрогеологических и водозаборных скважин и небольшое применение при разведке стройматериалов и бурении специальных скважин.
Применяется ударно-канатное бурение практически в любых породах, включая валунные и крупнообломочные отложения. Глубина скважин обычно до 50-150 м., но отдельные достигают 300 и даже 500 метров, диаметры скважин от 150 до 900 мм.
Достоинствами ударно-канатного бурения является высокое качество (не загрязненность) проб, максимальный дебит водозаборных скважин, вертикальность ствола скважины, возможность проходить скважины в особо сложных геологических условиях, в частности с одновременной или опережающей обсадкой скважины трубами. Недостатки – низкая производительность, большие затраты обсадных труб (металлоемкость).
Буровой инструмент
В ударно-канатном бурении выделяется четыре группы бурового инструмента: технологический, включающий буровой снаряд и желонки, вспомогательный для сборки снаряда и работы с обсадными трубами, специальный – обсадные трубы и приспособления для преодоления осложнений в скважине и аварийный.
Для разрушения породы используется буровой снаряд, состоящий из четырех элементов: долото, ударная штанга, раздвижная штанга и канатный замок (рис. 8. 6). В отдельных случаях при бурении неглубоких скважин в мягких породах в снаряд можно не включать раздвижную штангу, а иногда и канатный замок.
Долота (рис. 8. 7) изготовляются из углеродистой инструментальной стали с последующей термической обработкой. В нижней части долота имеется лезвие-5, в верхней части-шейка 2, заканчивающаяся конусной резьбой 1. Между шейкой и лезвием находятся лопасти 3 с боковыми ребрами 4, служащими для округления стенок скважины. Угол заточки лезвия долота (угол приострения) выбирается в зависимости от твердости буримых пород от 70° для мягких пород, до 130° для самых твердых пород и валунов. Поскольку ударно-канатное бурение применяется в различных породах, в соответствии с породами используются и разные типы долот.
Рис. 8. 6. Буровой снаряд для ударно-канатного бурения
1 - долото, 2 - ударная штанга, 3 - раздвижная штанга, 4 - канатный замок
В мягких породах применяется плоское долото с углом приострения лезвия 70-90° (рис. 8. 7 а), в вязких, липких породах, сухих глинах и в галечниках лучше использовать двутавровое долото, лезвие которого имеет выступающие в обе стороны борта, способствующие формированию округлой формы забоя (рис. 8. 7 б), в твердых породах и при встрече валунов в мягких породах применяется округляющее долото, оно имеет широкие ребра и вогнутое лезвие с углом приострения 110-130° (рис. 8. 7 в) и отличается массивностью, в трещиноватых породах во избежание заклинивания долота и при встрече одиночных валунов во избежание искривления скважины надо применять крестовое долото (рис. 8. 7 г). Размеры долот выбирают в зависимости от диаметра скважины и с учетом получения оптимального веса снаряда. Крайние значения параметров долот приведены в табл. 8. 3.
Таблица 8. 3. Предельные значения основных параметров долот
| Параметры | от | до |
| Длина лезвия долота, мм | ||
| Длина долота, мм | ||
| Масса долота, кг |
Рис. 8. 7. Долота для ударно-канатного бурения
а – плоское, б – двутавровое,
в – округляющее, г - крестовое
В процессе работы лезвие долота затупляется и долото необходимо перезаправить, что выполняется отковкой лезвия долота в кузнице. Поскольку перезаправка долот и особенно их транспортировка весьма трудоемки, были разработаны и успешно применяются долота со сменными лезвиями. Такие долота, кроме снижения трудоемкости по перезаправке, являются и более износостойкими, а также позволяют оперативно подбирать тип лезвия (долота) и угол его заточки при изменении буримых пород.
Долото со сменным лезвием (рис. 8. 8) состоит из корпуса 1 и лезвия 2. На корпус для обеспечения жесткости и прочности лезвия насаживается на гладкие шпильки 3, которые воспринимают тангенциальные нагрузки. Крепление лезвия к корпусу производится центровой шпилькой 4, один конец которой ввинчен в лезвие, другой притянут гайкой 5, опирающейся на шайбу 6. Самоотвинчивание гайки предотвращают штифты 7, вставленные в зазоры между стенкой окна корпуса и ее лысками на поверхности.
Крепление различных типов лезвий к корпусу долота идентично, это и создает возможность при их смене получать долото различного назначения.
Ударная штанга предназначена для увеличения и регулирования массы бурового снаряда. Она представляет собой круглый сплошной стальной стержень с резьбовыми концами. Ударная штанга может быть гладкой или с высаженными концами (рис. 6). Длина ударных штанг для удобства подбора рациональной массы снаряда может быть 2, 4 и 6 метров, диаметры от 112 до 220 мм, масса от 300 до 1300 кг.
Раздвижная штанга (ножницы). Для нормального бурения и разрушения породы на забое скважины участие раздвижной штанги в буровом снаряде не требуется, а включается она в снаряд с профилактической целью на случай заклинивания или прихвата долота. В таких случаях раздвижная штанга позволяет выбивать заклиненный снаряд.
Рис. 8. 8. Долото со сменными лезвиями
Раздвижная штанга (рис. 8. 6) состоит из двух, скользящих относительно друг друга, звеньев. У рабочей раздвижной штанги относительный ход звеньев 250 мм, у аварийной – 500 – 600 мм. Диметр у раздвижных штанг от 120 до 260 мм, длина (в раздвинутом состоянии) от 1600 до 2200 мм, масса от 112 до 490 кг. Следует иметь в виду, что при оценке веса снаряда, участвующего в разрушении породы, надо учитывать только половину веса раздвижной штанги.
Канатный замок с поворотным устройством (рис. 8. 9) предназначен для обеспечения надежного крепления снаряда с канатом и для автоматического равномерного поворачивания снаряда после каждого удара по забою. Замок состоит из корпуса с резьбой в нижней части для соединения со снарядом и втулки с внутренним конусом, свободно размещенной в цилиндрической расточке корпуса. Надежность закрепления каната достигается тем, что пропущенный в отверстие замка и втулки конец каната расплетается и каждая проволочка загибается вверх, затем эта часть каната с большим усилием станком затягивается в коническую часть втулки и заливается в ней расплавленным свинцом. Поворачивание снаряда происходит за счет раскручивания каната при подъёме снаряда под действием натяжения и обратного закручивания каната. Для облегчения поворачивания втулки между ней и корпусом устанавливается бронзовая шайба, а в корпусе делаются боковые отверстия для проникновения жидкости, снижающей трение.
Рис. 8. 9. Канатный замок с поворотным устройством
1 - корпус замка, 2 - втулка, 3 - шайба
При ударно-канатном бурении для удаления разрушенной породы, а при проходке несвязных рыхлых пород и для непосредственного бурения, применяются желонки.
Желонка представляет собой отрезок трубы, снабженный на нижнем конце башмаком с заостренной кромкой и клапаном, и с резьбой или серьгой на верхнем конце. Желонки в зависимости от условий бурения различаются размерами и конструкцией клапана, в отдельных случаях применяются поршневые желонки (рис. 8. 10).
Рис. 8. 10. Желонки для ударно-канатного бурения
а - с плоским клапаном, б - с двустворчатым клапаном,
в - с полусферическим клапаном и копьем, г - поршневая желонка
Для бурения плывучих песков и для чистки скважины при проходке скальных пород применяются желонки с плоским клапаном, при бурении рыхлых пород и для чистки скважины в глинистых породах лучше применять желонку с полусферическим клапаном и языком (копьем). В желонках большого диаметра применяется двустворчатый клапан с ножом, в валунно-галечных отложениях успешно применяются желонки с двустворчатым клапаном типа «ангара». В продуктивной зоне россыпных месторождений, где требуется особо тщательное опробование, применяют поршневые желонки.
Для опоражнивания желонок на поверхности их либо переворачивают, либо ставят клапаном на специальный металлический колышек, легче всего опоражнивается желонка с клапаном с языком, которую достаточно поставить языком на землю, и клапан сам открывается.
Основные размеры желонок по длине от 3200 до 6200 мм, диаметры от 120 до 530 мм, масса от 85 до 800 кг.
Стальные канаты при ударно – канатном бурении применяются непосредственно при проходке ствола скважины, для работы с желонками при чистке скважины, при операциях с обсадными трубами, а также для укрепления мачты. Такое широкое применение стальных канатов при бурении скважин ударно – канатным способом требует его правильного выбора и обслуживания.
Канаты изготавливают из стальных тонких проволочек, скрученных в пряди, которые свивают вокруг органического (чаще всего пенькового) сердечника. Сердечник пропитывают специальным смазочным материалом, в процессе работы смазка выжимается из сердечника в пряди, благодаря чему канат смазывается. Кроме того, органический сердечник придает канату гибкость, округлую форму и равномерно распределяет нагрузку между прядями.
Материалом для изготовления канатов служит высококачественная сталь с пределом прочности на растяжение 1600 – 1800 МПа.
На буровых работах наибольшее распространение получили шестипрядные канаты двойной свивки следующих конструкций 6× 19+10С, 6× 37+10С, где 6 – число прядей; 19, 37 – число проволок в каждой пряди и один органический сердечник (рис. 8. 11).
Рис. 8. 11. Стальные канаты
а - поперечное сечение каната, 1 - проволоки, 2 - пряди, 3 - органический сердечник; б - характер и направление свивки каната, I – канат прямой левой свивки, II - канат крестовой левой свивки, III - канат прямой правой свивки, IV - канат крестовой правой свивки
По виду свивки различают:
канаты прямой (параллельной) свивки, при которой проволоки в прядях и пряди свиты в одном направлении;
канаты крестовой свивки, когда проволоки в прядях и пряди свиты в противоположных направлениях;
канаты комбинированной свивки, когда направление свивок проволоки в рядом лежащих прядях различно (чередующиеся).
По направлению свивки канаты могут быть правого и левого направления. Направление свивки для канатов определяется по направлению винтовой линии свивки прядей.
Инструментальные канаты при ударно–канатном бурении должны раскручиваться под нагрузкой и скручиваться после ее снятия. Этим требованиям отвечают канаты прямой свивки.
В процессе ударно – канатного бурения буровой снаряд после каждого удара о забой должен поворачиваться вправо, поэтому направление свивки прядей в инструментальном канате должно быть левое, что препятствует самопроизвольному развинчиванию бурового снаряда. Таким образом, инструментальный канат должен иметь прямую левую свивку.
Желоночные канаты принимаются крестовой свивки с правым или левым направлением свивки прядей в канате; то же относится и к талевым канатам.
Рабочий инструментальный канат при ударно–канатном бурении выбирают по разрывному усилию с 12 – кратным запасом прочности на весу Q бурового снаряда или желонки со шламом, т. е.
Рраз=12Q, здесь (8. 4)
Q=k (Qин+qк· ℓ к), (8. 5)
где k= 1, 2 - 1, 3 и 1, 5 – 2, 0 коэффициент, учитывающий прихваты соответственно бурового снаряда и желонки; Qин – вес бурового снаряда (желонки), Н; qк – вес 1м каната, Н; ℓ к – максимальная длина каната находящегося в работе, м.
Выбранный в специальной таблице канат по максимальному разрывному усилию проверяют на прочность по суммарному напряжению, возникающему от действия растягивающих и изгибающих нагрузок.
Суммарное напряжение σ Z (МПа) рассчитывается по формуле
σ Z= σ р + σ из= , (8. 6)
где σ р и σ из – предел прочности материала, соответственно, при растяжении и изгибе, МПа; F – площадь всех проволок в канате, м2; с=0, 35 – 0, 75 – коэффициент, учитывающий напряжение кручения в проволоках, трение между проволоками и условия работы каната; Е=2, 1× 105 МПа – модуль продольной упругости материала каната; Dш – диаметр шкивов (роликов) ударного механизма и кронблока, м; dn –диаметр проволоки, м.
После определения суммарных напряжений находится действительный запас прочности каната по формуле
, (8. 7)
где Кq – действительный запас прочности каната; σ в – временное сопротивление материала каната растяжению, МПа (по характеристике каната).
Действительный запас прочности каната должен быть не менее 4, в противном случае подбирают более прочный канат.
Прочность и длительность службы канатов во многом зависит от правильной их навески и ухода за ними и грузоподъемным оборудованием в процессе эксплуатации. Необходимо систематически проверять поверхность канавок роликов блоков и барабанов лебедок, следить чтобы на них не было заусенец и раковин, избегать перекрещивания каната при намотке его на барабан лебедки, не допускать образования петель и переломов. Канаты необходимо смазывать специальной канатной смазкой, изготовленной на основе битумов гудронов.
Правилами безопасности запрещается эксплуатация канатов: с одной оборванной или вдавленной прядью, при числе оборванных проволок более 5% на длине шага свивки каната диаметром до 20 мм канатов, срощенных узлами, и с выступающими иглами проволок.
Обсадные трубы при ударно-канатном бурении применяются для закрепления и изоляции уже пробуренного интервала скважины или для перекрытия ствола в неустойчивых породах одновременно с углубкой, причем нижний конец колонны труб может погружаться как вслед за забоем, так и впереди забоя скважины. В большинстве случаев обсадные трубы при ударно-канатном бурении погружаются в скважину принудительно путем забивания, поэтому они выполняются из стали и являются толстостенными. Длина одной трубы может быть от 2 до 12 метров. При большей глубине закрепляемого интервала скважины обсадные трубы соединяются в колонну. Соединение обсадных труб может быть резьбовое труба в трубу или муфтами, трубы больших диаметров соединяются сваркой их торцов непосредственно при спуске в скважину. Обсадные трубы ударно-канатного бурения те же, что и трубы вращательного бурения водозаборных и нефтегазовых скважин. Они выпускаются в большом диапазоне размеров с наружным диаметром от 114 до 508 мм. Наиболее характерные размеры обсадных труб приведены в табл. 8. 4.
Таблица 8. 4. Размеры наиболее используемых обсадных труб
| Размер, дюйм | Наружный диаметр, мм | Диаметр муфты, мм | Толщина стенки, мм | Масса 1м/кг | Тип соединения |
| 6'' | Труба в трубу | ||||
| 8'' | Труба в трубу и муфтовое | ||||
| 10'' | |||||
| 12'' |
Вспомогательный инструмент включает инструмент для сборки-разборки бурового снаряда и инструмент для работы с обсадными трубами.
При сборке бурового снаряда могут использоваться резьбовые переводники, предназначенные для соединения инструментов, имеющих разные конусные резьбы, ключи инструментальные, трещетка затяжная. Ввиду того, что при свинчивании буровых инструментов на рукоятку ключа прилагаются большие усилия (до 30 кН), инструментальные ключи изготовляются массивными с большим плечом. Трещотка затяжная позволяет получить усилие на плече ключа до 3 тонн, состоит из дугообразной зубчатой рейки, неподвижного упора и подвижного башмака с рычагом.
Для работы (погружение, извлечение) с обсадными трубами применяются башмаки забивные (гладкие) с заостренной внутренней кромкой, закрепляемые на нижнем конце обсадных труб и облегчающие внедрение труб, бабы забивные массой до 1000 кг, хомуты для обсадных труб, головки забивные резьбовые и ступенчатые, выбивные снаряды и другие инструменты.
Аварийный (ловильный) инструмент. В отличие от общетехнического употребления термина «авария», когда имеются в виду крупные повреждения с серьезными последствиями, в бурении аварией называется любая поломка или осложнение, в результате которого инструмент не может быть извлечен из скважины обычными средствами. При ударно-канатном бурении авария может быть связана с обрывом каната, развинчиванием или обрывом частей бурового снаряда, заклиниванием снаряда в скважине. Аварийный инструмент предназначен соответственно для ловли и захвата оборванного каната, отвернувшихся или обломанных частей снаряда, освобождение и извлечение прихваченного снаряда. В последнем случае часто бывает необходимо обрубить канат от прихваченного снаряда. Аварийный инструмент для этих случаев представлен: ершами однорогим и двурогим (вилкообразным), ловильником, канаторезкой, обуриващим долотом, пауком для ловли мелких предметов, упавших в скважину. Аварийные инструменты спускаются в скважину в составе аварийного снаряда, включающего также ударную штангу, аварийную раздвижную штангу и канатный замок. Устройство и принцип работы аварийных инструментов ясен из рис. 8. 12.
Оборудование для ударно-канатного бурения
Для ударно-канатного бурения применяется несколько типов буровых станков, имеющих аналогичную конструкцию и различающихся лишь устройством отдельных узлов и некоторыми параметрами. Все у
|
|
|
