Бурение скважин – важнейшая составляющая всех этапов работ по освоению месторождений любых видов полезных ископаемых – от разведки до промышленной разработки. Сегодня существует множество способов, технологий и технических средств бурения. Тем не менее, специалисты не перестают исследовать, изобретать и совершенствовать технику в этой области знаний.
Бурение погружными перфораторами, входящими в скважину, первым предложил российский инженер А. К. Сидоренко в 1938 году. Начало широкого применения технологии бурения погружными пневмоударниками приходится на пятидесятые годы; приоритет здесь принадлежит ИГД СО РАН, до сегодняшнего дня остающемуся одним из ведущих мировых научных центров, работающих в этой области.
Применение погружных пневмоударников сделало возможной реализацию прогрессивных технологий добычи руд и других полезных ископаемых, особенно в подземных условиях. За рубежом в это время больше внимания уделялось штанговому бурению, что объясняется доступностью высокопрочной буровой стали, которой в России тогда не было. Однако уже с шестидесятых годов XX столетия погружные пневмоударники стали все чаще применяться и в зарубежной практике бурения взрывных скважин. Это было продиктовано потребностью горно-добывающего производства в скважинах увеличенного диаметра и глубины. Ныне все развитые страны мира производят и применяют технику для этого вида бурения.
Бурение скважин погружными пневмоударными машинами (пневмоударниками) относится к числу наиболее прогрессивных способов бурения. Однако, несмотря на то, что первые погружные пневмоударники появились именно в нашей стране, на сегодняшний день мы существенно отстаем от зарубежного уровня, прежде всего, в практической реализации возможностей этого направления. Главная причина – неспособность обеспечить высокое давление сжатого воздуха, повсеместно распространенное на зарубежных горно-добывающих предприятиях.
Ведущими европейскими (и мировыми) производителями являются Atlas Copco и Sandvik AB. Погружные пневмоударники серии СОР (17 моделей диаметром от 77 до 160 мм и весом от 23 до 138 кг) производства Atlas Copco Secoroc одни из самых производительных из числа представленных на рынке. Высокие рабочие характеристики, функциональность, надежность и большой срок службы обеспечивают высокую экономичность бурения.
В промышленной группе Sandvik AB погружные пневмоударники выпускает вошедшая в ее состав в 1988 г. фирма Mission Company. Она была среди пионеров, осваивавших в начале 50 х гг. новый для того времени вид продукции (первый патент, полученный ею на погружной пневмоударник, датирован 1957 годом). Производство находится в г. Менсфилд, шт. Техас (США), и Швеции. Выпускается семь моделей – от Mission 30 (диаметр 81,3 мм) до Mission 85 (диаметр 181,0 мм).
Известный разработчик и производитель погружных пневмоударников Wassara AB, основанная в 1988 под названием G-Drill (свое настоящее имя приобрела в 2002 году), в настоящее время принадлежит шведским компаниям LKAB и Sandvik.
Широкий ассортимент бурового оборудования производит ирландская Halco Drilling International Ltd, занимающаяся этой тематикой около полувека.
В Северной Америке компанией Numa с 1985 (года основания) по сегодняшний день сконструировано и запущено в производство 50 моделей серий Patriot®, Champion® и Challenger®. Продукция Numa реализуется в 60 странах (экспорт составляет 45% от общего объема продаж).
Loudon Industries, Inc. выпускает под торговой маркой Rock Hog четыре типоразмера погружных пневмоударников диаметром от 92 до 181 мм и весом от 82 до 177 кг.
В ассортименте канадской Mincon Mining Equipment Inc. 11 моделей для бурения скважин диаметром от 95 до 254 мм. В Южной Америке Drillco Tools – один из дивизионов Drillco Group (Чили) производит погружные пневмоударники под торговой маркой Puma, которыми можно бурить скважины диаметром от 89 до 270 мм.
В Африке производство пневмоударников сосредоточено преимущественно на юге континента – Boart Longyear Group и SPES Machines (погружные пневмоударники бурения скважин диаметром от 90 до 450 мм).
Немало производителей в Азии. Среди них китайские (Changsha ENYU Engineering Equipments Co. Ltd., Wuhan Trilux Drilling tools Company Ltd.) и индийские (Guru Precision Tools Pvt. Ltd., JCR Drillsol PVT LTD., Ingoz International, KLR Rigs Company, Vikay Mining Equipments) компании.
Основными функционально значимыми параметрами погружных пневмоударников, определяющими их технический уровень, технологические возможности и область применения, являются составные части ударной мощности – энергия удара и частота ударов. Ударная мощность, при прочих равных условиях, зависит только от рабочего давления энергоносителя (сжатого воздуха). Однако для эффективной работы погружного пневмоударника доминирующим параметром является энергия единичного удара, которую задают в значениях необходимых и достаточных из соображений эксплуатационной надежности машины и инструмента, стремясь к минимальной энергоемкости разрушения буримой породы.
На основе многолетних данных по испытаниям опытных и серийных отечественных и зарубежных погружных пневмоударников нами установлена зависимость энергоемкости процесса бурения от удельной энергии удара, типа инструмента (лезвийный, штыревой), системы очистки забоя скважины и схемы нагружения забоя, рисунок 1.
 |
Рис. 1. Зависимость энергоемкости бурения погружными пневмоударниками от удельной энергии удара. |
Как видно из рисунка 1, с увеличением удельной энергии энергоемкость существенно снижается. Следовательно, одним из приоритетных направлений развития этого способа является создание энергонасыщенных погружных пневмоударников с инструментом штыревого типа со схемой нагружения забоя, реализующей взаимное влияние полей напряжений.
|
Серийно выпускаемые в России погружные пневмоударники, разработанные в ИГД СО РАН в начале 80 х годов, не уступали зарубежным аналогам. Они были спроектированы в расчете на давление сжатого воздуха 0,5 МПа и лезвийный породоразрушающий инструмент. Появившийся позже прогрессивный штыревой инструмент в комплекте с этими пневмоударниками в большинстве случаев оказался малоэффективным, тогда как его неоспоримые преимущества перед лезвийным доказаны мировой практикой. Для эффективной работы пневмоударника со штыревым инструментом требуется повышение энергии удара, по меньшей мере, в 2–3 раза.
При высоком (1,8–2,4 МПа) давлении сжатого воздуха, распространенном за рубежом, технически несложно получить высокие энергии удара в заданном типоразмере пневмоударника, тем самым существенно улучшив эксплуатационные и технические показатели пневмоударного бурения (например, скорость бурения, ресурс машины и стойкость породоразрушающего инструмента), практически пропорционально росту давления сжатого воздуха.
При давлении воздуха 0,5 МПа, распространенном в России, даже 2-кратное повышение энергии удара – задача непростая, особенно для условий существующих систем подземной отработки железорудных месторождений. Применяемое на рудниках буровое оборудование (НКР-100МП, погружной пневмоударник ПП110 (М48)) поставлено на производство еще в начале 70 х гг. прошлого столетия и в настоящее время используется при бурении нисходящего пучка параллельных скважин для отбойки межэтажного блока. (В свое время эта технология была передовой для отработки верхних горизонтов).
В настоящее время горные работы ведутся на больших глубинах, и применение системы разработки с отбойкой руды на компенсационные камеры и полости сопряжено с осложнениями из-за возросшего горного давления. Происходят интенсивные деформации массива, разрушаются и теряются пробуренные скважины в подготавливаемом блоке, что влечет дополнительные затраты на перебуривание скважин (до 50%) и ухудшает качество дробления. Кроме того, из-за низкой межзаточной стойкости бурового инструмента до половины рабочего времени уходит на спускоподъемные операции. В результате – низкая сменная производительность. В то же время производственники настоятельно требуют повышения сменной производительности пневмоударного бурения, хотя бы в 1,5–2 раза, без изменения условий эксплуатации пневмоударника и технологической схемы обуривания блока. (Зарубежное буровое оборудование для условий рудников с системами этажно-блочной отбойки руды не всегда пригодно, так как оно зачастую не вписывается в параметры буровых выработок).
Выход из сложившейся ситуации видится в сокращении времени обуривания блока, для чего возможны два пути:
- Переход на предельно допустимый, по техническим возможностям существующего парка буровых станков (НКР-100МП), диаметр скважины 130 мм, вместо 110 мм. Здесь ожидаемое сокращение времени на эквивалентное бурение может составить около 30%.
- Увеличение межзаточной стойкости бурового инструмента и, тем самым, сокращение вспомогательного времени на спускоподъемные операции для замены инструмента.
Поскольку пневмоударник и долото функционально зависимые компоненты бурового снаряда, нельзя заменить долото, не заменяя пневмоударник. Нужен энергонасыщенный погружной пневмоударник с интенсивной очисткой забоя, адаптированный к условиям подземной отработки железорудных месторождений системами с этажно-блочным обрушением. При этом необходимо учесть ограничения на длину пневмоударника и работу на воздушно-водяной смеси.
ИГД СО РАН предлагает к освоению производством пневмоударники нового поколения с повышенной энергией удара, эффективно работающих в комплекте со штыревым инструментом при обычном давлении (0,5 МПа) энергоносителя, в частности, воздушно-водяной смеси, как обязательного условия для пылеподавления. Пневмоударники позволят проходить межэтажную скважину (50–70 м) за один проход без подъема (либо максимум за два подъема снаряда), резко сократив вспомогательное время для замены инструмента, что в итоге позволит повысить сменную производительность в 1,5–2 раза, а ресурс машины в 2 раза, по сравнению с базовым образцом пневмоударника (М48).
Сочетание увеличенного диаметра скважины (до 130 мм) и увеличенной сменной производительности даст возможность сократить время обуривания блока, по меньшей мере, в 1,5–2 раза и решить проблему потери скважин в подготавливаемом блоке.
Реализация энергонасыщенного погружного пневмоударника при ограниченном давлении энергоносителя возможна на основе нового рабочего цикла машины (см. рисунок 2).
 |
Рис.2. Осциллограммы давлений в камерах прямого (а) и обратного (б) хода пневмоударника с питающе-разрядной системой. |
Благодаря введению дополнительного продленного выхлопа из камеры рабочего хода в фазе обратного хода ударника, через специальный разрядный тракт, обеспечивается снятие противодавления при движении ударника на всем пути обратного хода до момента подачи им команды на смену направления действия сил. Цикл обеспечивает повышение ударной мощности и, главное, изменение ее структуры в направлении увеличения энергии удара более чем в два раза по сравнению с базовым образцом при одном и том же давлении энергоносителя. Цикл улучшает также силовую характеристику машины по отдаче.
Расчетные данные в сравнении с серийным пневмоударником приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные данные по пневмоударникам ПП110-3,5 и М48.
|
Конструктивное исполнение энергонасыщенного погружного пневмоударника для подземных горных работ в типоразмере 110 мм представлено на рисунке 3.
 |
Рис. 3. Погружной пневмоударник ПП110-3,5. |
На испытательном полигоне ОАО «Евразруда» Горно-Шорского филиала проведены предварительные испытания адаптированного к воздушно-водяной смеси пневмоударника ПП110 – 3,5. Отмечена устойчивая работа на всех режимах бурения при различном содержании воды в воздухе (качество смеси): от сухого воздуха до 1–1,5 л воды на 1 м3 воздуха. Пневмоударник отвечает всем требованиям производственников.
Пневмоударники для открытых горных работ
Для открытых горных работ, где условия эксплуатации пневмоударников принципиально отличаются от подземных (наличие водопритоков, не стоят с такой остротой вопросы длины пневмоударника и давления энергоносителя), решить задачу создания пневмоударников нового поколения с улучшенными техническими характеристиками при повышенном давлении энергоносителя относительно проще. В настоящее время в России (Московский завод «Борец») освоено производство компрессоров «Шторм» на повышенное (1,2 МПа) давление. В ИГД СО РАН найдены технические решения, реализующие концепцию энергонасыщенности пневмоударников при ограниченном (0,7–1,2 МПа) давлении сжатого воздуха, разработан типоразмерный ряд пневмоударников нового поколения с улучшенным, по энергозатратам (экономичности) и вибросиловой характеристике, рабочим циклом, обладающих необходимой и достаточной энергией удара для эффективной работы со штыревым инструментом при обычном и повышенном давлении сжатого воздуха. Конструктивное исполнение и технические характеристики ряда приведены на рисунке 6 и в таблице 2.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Данные пневмоударники по техническому уровню не уступают лучшим современным аналогичным зарубежным разработкам. Кроме того, они наделены дополнительным технологическим качеством – адаптированы к содержанию воды в сжатом воздухе до концентрации пены, что выгодно отличает их при бурении скважин в сложных геологических условиях, например, с прослоями глин и водопритоках.
В России эти машины не производятся. Отечественные заводы-изготовители серийных пневмоударников неохотно идут на требующее больших капитальных затрат освоение новой продукции, и потребительский рынок склонен к закупке зарубежных машин.
В том, что погружные пневмоударники не исчерпали своих потенциальных возможностей на открытых горных работах и остаются вполне конкурентоспособными, в т.ч. по отношению к шарошечному бурению, наглядно свидетельствует зарубежный опыт. Главное преимущество пневмоударного бурения перед шарошечным – в 40 раз больший съем мощности с единицы силы нажатия на инструмент. Это значит, что на легких шарошечных станках, например СБШ-200, можно безаварийно бурить скважины диаметром до 270–320 мм или повысить скорость бурения в два раза в меньшем диаметре скважины при повышенном давлении.
Фирма Driltech Mission (в составе компании Sandvik Mining Construction) выпускает буровые станки для бурения вращательным (шарошечным) способом взрывных скважин диаметром от 130 мм до 200 мм (модель 25KS и T40KS), переоборудуемые на ударно-вращательное (пневмоударное) бурение для бурения скважин диаметром до 165 мм в более крепких породах. При этом в варианте шарошечного бурения станки оснащены компрессорами обычного давления (0,7 МПа) с производительностью от 25 до 45 м3/мин (в зависимости от диаметра буримой скважины); в варианте пневмоударного бурения – компрессорами высокого давления (2,4МПа) с производительностью 23,7 м3/мин.
 |
Рис. 6. Погружной пневмоударник для открытых горных работ. |
Компания считает целесообразным дифференцированное использование шарошечных станков во вращательном (шарошечном) и вращательно-ударном (пневмоударном) вариантах при обуривании блоков. Для бурения отрезных щелей и заоткоски взрывных уступов наклонными скважинами рекомендуется пневмоударный вариант, при расширенной сетке взрывных скважин на площадке обуриваемого блока – шарошечный.
Сопоставление шарошечного и пневмоударного способов бурения по отдельным показателям
Все существующие теории механического разрушения горных пород можно свести к энергетической, согласно которой предпочтительным является способ разрушения и режим его существования, обеспечивающие минимум энергоемкости.
Принцип бурения шарошечным способом основан на приложении больших осевых усилий и крутящих моментов на долото; подведенная к забою скважины мощность, определяющая производительность способа, вычисляется по формуле:
Nш=3mo·Д·n·G, Вт (1),
где Д – диаметр долота, м;
n – число оборотов вращения долота, с-1;
mo – коэффициент, учитывающий тип долота и контактную прочность пород;
G – осевое усилие на долото, Н.
При ударно-вращательном способе бурения, с использованием погружных пневмоударников, на инструмент действует циклическая ударная нагрузка при небольших усилиях подачи и крутящего момента. Подведенная при этом к забою мощность (Nу) определяется выражением
(2)где Pс – среднее давление в камере прямого хода ударника, Па;
Vу – предударная скорость, м/с;
τ – отношение времени прямого хода ударника к времени обратного хода (τ=1,4 – 1,6);
R – радиус долота, м;
А – энергия единичного удара, Дж;
ν – частота ударов, Гц.
Из сопоставления (1,2) следует, что при бурении скважины одного диаметра возможности повышения производительности бурения определяются, в первом случае, осевым усилием и скоростью вращения долота, которые практически исчерпаны; во втором (пневмоударном) – увеличением давления (Рс) и предударной скорости (Vу) – а здесь имеются резервы. При этом необходимая сила нажатия (осевое усилие) на ударную машину определяется по выражению
G=2·A·ν/Vу·η, Н (3)
где η – опытный коэффициент, равный 0,5–0,7.
Принципы формирования осевого усилия при шарошечном и пневмоударном бурении различны. При шарошечном бурении осевое усилие является определяющим в мощности на забое скважины. При пневмоударном бурении осевая сила прижима пневмоударника к забою не оказывает существенного влияния на эффективность разрушения породы. В этой связи проблема бурения наклонных скважин погружными ударными машинами снимается.
Для сравниваемых способов бурения весьма важным является показатель съема мощности с единицы осевого усилия:
W=N/G, Вт (4)
Для шарошечного способа имеем:
Wш=Nш/G=3·mо·Д·nв, (5)
а для пневмоударного бурения:
Wу=Nу/G=0,5·Vу·η. (6)
Приняв реальные данные: mо=0,042; Д=0,215; nв=1,33 с-1; Vу=8 м/с; η=0,5 – получим Wш=0,036 Вт/Н, а Wу=2 Вт/Н.
Отсюда следует, что мощность, снимаемая с единицы осевого усилия, при шарошечном бурении в 40–50 раз меньше, чем при ударно-вращательном способе. Это один из важнейших аргументов преимущества пневмоударного способа бурения, особенно для наклонных скважин.
Погружные ударные машины с центральным шламотранспортом
В практике бурения геолого-разведочных и гидрогеологических скважин, особенно на поисково-картировочной стадии, широко применяется и интенсивно развивается вращательный способ бурения с непрерывным выносом выбуренной породы по центральному каналу двойной бурильной колонны. Способ этот весьма производительный и сравнительно дешевый, но область применения его ограничена однородными мягкими породами до пятой категории буримости. Он не пригоден или малоэффективен в условиях резко перемежающихся пород и валунно-галечных отложений.
Еще более широко распространен ударно-вращательный способ бурения скважин различного назначения с применением погружных пневмоударников. Он признан эффективным в широком диапазоне условий по крепости буримых пород, геологическому строению разреза и диаметрам буримых скважин. Одним из существенных недостатков пневмоударного способа бурения с затрубным выносом шлама является жесткая зависимость соотношения диаметров буримых скважин и диаметров бурильных колонн, ограничивающая предельную глубину бурения по условиям выноса выбуренной породы. В принципе глубину бурения можно увеличить путем наращивания давления или расхода сжатого воздуха, но, как показывает мировая практика пневмоударного бурения, давление выше 2,5 МПа, а расход более 1,5–2 м3/мин·кВт ударной мощности машины поднимать нецелесообразно по причине весьма низкого к. п. д. цепочки «компрессор – пневмоударник».
Весьма широкие технологические возможности имеет новый способ ударно-вращательного бурения скважин с центральным выносом шлама по двойной бурильной колонне. Для его осуществления возможны два пути:
- с использованием пневмоударников обычного исполнения, размещенных во внешнем кожухе с коллектором для присоединения к двойной бурильной колонне,
- с использованием полых (кольцевых) пневмоударников.
Практика показала, что вариант компоновки снаряда с обычным пневмоударником не оправдал себя по причине зашламовывания сборника шлама и большого сопротивления коллектора. Более прогрессивным, по мнению зарубежных специалистов (Германии, Великобритании, США), оказался лишенный указанного недостатка вариант специального кольцевого пневмоударника. Этот способ бурения скважин является новым направлением в бурении. Уместно заметить, что приоритет на кольцевые пневмоударники принадлежит СССР (России).
Данная технология сочетает достоинства как пневмоударного способа, так и вращательного бурения с непрерывным транспортированием выбуренной породы по внутренней трубе двойной бурильной колонны. Кроме того она наделена еще одним важным качеством – при одном и том же давлении энергоносителя (сжатого воздуха) на входе в ударную машину сплошного или кольцевого исполнения, во втором варианте исполнения ударной машины предельная глубина бурения скважины увеличивается в 1,5–2 раза без снижения производительности (при этом не требуется жесткой увязки диаметров буримой скважины и бурильной колонны), что открывает для нее широкие перспективы применения и при подземном бурении вниз слепых скважин большого диаметра (165–300 мм). (Сейчас это можно сделать только путем бурения сквозной пилотной скважины, с последующим разбуриванием ее на больший размер, что увеличивает время бурения вдвое).
Кольцевые ударные машины в сочетании с двойной бурильной колонной особенно эффективны в разрезах с неоднородным составом пород, с большим содержанием валунно-галечных отложений, прослоек глинистых пород, при интенсивных водопритоках. Сохраняется реверс потока энергоносителя, даже если он разной природы (воздух, вода, раствор), крайне необходимый при обвалах и закреплении стенок скважины, прихвате снаряда, сильном водопритоке и прочих возможных осложнениях. Этот способ не имеет альтернатив в условиях бурения морен в сплошных водоносах, в зонах вечной мерзлоты.
Использование кольцевых ударных машин позволяет существенно расширить область применения буровых комплексов с центральным пневмо-, гидротранспортом шлама, так как за счет ударного воздействия на породу интенсифицируется процесс разрушения забоя.
Существующие отечественные и зарубежные кольцевые пневмоударники базируются на бесклапанной системе распределения воздуха по камерам с управлением от ударника. Такие пневмоударники могут работать только на сухом сжатом воздухе или с очень малой дозировкой воды, что ограничивает область их применения. Так, например, при проходке глинистых прослоек с малым водопритоком возможны «сальниковые» образования в шламоотводной трубе, затрудняющие работу пневмоударника вплоть до полной его остановки. На другом энергоносителе пневмоударники этого типа (бесклапанные) не работают.
В развитии способа бурения погружными ударными машинами с центральным шламотранспортом обнаруживается острая необходимость создания кольцевых ударных машин нового поколения, обеспечивающих бурение любых геологических структур на достаточно большие глубины, например, 200–300 м. Это становится возможным при переходе на другой энергоноситель, в частности, на газожидкостную смесь (например, в виде пен высокого давления – 4–7 МПа) и другую систему распределения энергоносителя, в частности на клапанную, с обеспечением питания и принудительной разрядки управляемой камеры. Перевод погружных ударных машин, в том числе и кольцевых, на более энергонасыщенное рабочее тело и более эффективный очистной агент (а таковым является газожидкостная смесь с добавками ПАВ) резко расширяет технологические возможности ударно-вращательного способа бурения, по сравнению с обычным пневмо- или гидроударным бурением, по таким параметрам как: глубина бурения, диаметр буримых скважин, геологические условия.
Не менее важным для достижения большей эффективности кольцевого ударного бурения является обеспечение продувки (промывки) забоя, сбора шлама в забойной части и транспортировки его в заборную часть бурового инструмента и далее в центральную шламотранспортную трубу ударной машины. Это достигается особой конструкцией бурового инструмента, принципиально отличающегося от инструмента ударной машины обычного исполнения с периферийной транспортировкой выбуренной породы. Если система очистки забоя и сбора шлама в заборной части кольцевой ударной машины не учитывает специфику центральной транспортировки, то никакая самая совершенная по динамике и энергетическим параметрам кольцевая машина, пусть работающая даже на лучшем энергоносителе, не обеспечит ожидаемых результатов.
Многолетние изыскания путей совершенствования погружных ударных машин, проведенные в Институте горного дела СО РАН, показали, что технический прогресс в буровой технике можно и должно ожидать в создании кольцевых ударных машин. В настоящее время в ИГД СО РАН найдены технические решения и разработаны конструкции нового поколения кольцевых ударных машин (3). Универсальные по энергоносителю, работающие на сухом сжатом воздухе обычного (0,5–0,7 МПа) и высокого (1,2–2,5 МПа) давления, а также на газожидкостной смеси в виде пен высокого давления (4–7 МПа), они способны обеспечить необходимую и достаточную энергию удара в заданном типоразмере ударной машины. Разработаны конструкции буровых долот к ним, одинаково эффективных практически для любых пород, с любыми прослойками и включениями (4).
На рисунке 7 изображена погружная ударная машина с центральным шламотранспортом, работающая на сухом сжатом воздухе и газожидкостной смеси в виде пен с добавками ПАВ. Машина сконструирована на основе технических решений (3, 4). Ее особенностью являются оригинальная система распределения (питающе-разрядная) энергоносителя по рабочим камерам и система очистки – сбора выбуренной породы. Разработан типоразмерный ряд машин, охватывающий диаметры буримых скважин от 118 до 215 мм. Технические характеристики приведены в таблице 3.
 |
Рис. 7. Погружная ударная машина с центральным шламотранспортом ПК 160. |
Таблица 3. Технические характеристики погружных ударных машин с центральным шламотранспортом.
|
Погружные гидроударники объемного типа
Первый опыт применения погружных гидроударных машин при бурении скважин относится к началу сороковых годов. Однако это был далеко еще не ударный способ бурения, так как те гидроударники не обладали достаточной для его реализации энергией удара. Это были вибраторы, активизирующие процесс бурения, основанный на вращении. Тем не менее, включение машины в буровые снаряды существенно улучшало показатели эффективности бурения: повышался процент выхода керна, возрастала скорость бурения, снижались энергозатраты и стоимость.
Машин ударного действия с гидроприводом в разной степени проработки: от экспериментального образца до практической реализации и широкого применения, разработано много, но все они делятся на два типа. По общепринятому понятию, гидравлическая ударная машина – это устройство для преобразования потенциальной или кинетической энергии жидкости в энергию удара. Отсюда, машины динамического типа – если используется кинетическая энергия потока рабочего тела; если же используется потенциальная энергия давления рабочего тела – машины объемного типа.
В бурении широко применяются оба типа машин. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки конструктивного и технологического характера. Их принципиальной отличительной особенностью является то, что в составе динамических машин нет гидроаккумуляторов, а в основе гидрообъемных машин наличие гидроаккумулятора обязательно.
При этом гидродинамические машины работают, как правило, с открытой циркуляцией рабочего тела (вода, раствор), являющегося одновременно и очистным агентом. Эти машины являются погружными. Гидравлические машины объемного типа имеют закрытую циркуляцию рабочего тела, работают, как правило, на минеральном масле или эмульсиях, а для выноса шлама из скважины используется отдельный очистной агент, например, вода, воздух или смесь. Эти машины выносные. Погружных гидроударных машин объемного типа нами не выявлено.
Погружные гидроударники, распространенные во всем мире, используют эффект гидроудара, что конструктивно упрощает их, так как не нужно гидроаккумулятора, но вместе с тем существенно ухудшает отдельные, функционально значимые, показатели: к. п. д. не выше 20%, против 40–60 % для объемных, а энергия удара недостаточна для реализации ударного способа бурения. При этом динамические машины имеют увеличенный расход рабочей жидкости, что в ряде случаев противоречит условиям бурения, например, приводит к размыву стенок скважины в неустойчивых зонах слабых пород. Энергия единичного удара у этих машин лимитируется допустимым расходом жидкости или давлением в магистрали. Это главные недостатки гидродинамических машин, и преодолеть их, основываясь на принципе гидроудара, не представляется возможным. Гидрообъемные машины в потенциале обладают более высокими энергетическими показателями и технологическими возможностями, а, соответственно, более широкой областью применения.
Изучение литературных и патентных источников, а также анализ принципиальных схем, распределительных систем и конструкций ударных машин, работающих на различных энергоносителях и основанных на разных принципах действия, показали, что решение такой проблемы, как бурение скважин в сложных структурах с прослоями валунно-галичниковых отложений и неустойчивыми зонами, лежит на пути создания погружных ударных машин с объемным гидроприводом. При этом машины должны быть универсальны по энергоносителю, т.е. работать на воде, глинистых и полимерных растворах, что обеспечит энергонасыщенность забоя, эффективную очистку, крепление и поддержание устойчивости скважин.
Структурно ударная машина с объемным гидроприводом может быть построена с одной или двумя управляемыми камерами с автономными системами питания-разрядки на всем возвратно-поступательном пути движения ударника. В целях упрощения конструкции нами принята схема привода с одной управляемой камерой (камерой рабочего хода). Схема наиболее проста по исполнению и надежна по работоспособности.
Особенностью схемы является оригинальная система управления потоками энергоносителя и рабочим циклом, выполненная по техническим решениям в соответствии с патентами РФ № 2097520 и № 2109906 (Патентовладелец – ИГД СО РАН). Схема гидропривода позволила увеличить энергию удара (наиболее значимый параметр), повысить экономичность при существенно меньшем расходе энергоносителя.
В лаборатории бурения ИГД СО РАН разработан, изготовлен и испытан в стендовых условиях экспериментальный образец погружного гидроударника объемного типа базового типоразмера 76 мм.
На рисунке 8 приведено конструктивное исполнение погружного гидроударника объемного типа со встроенным пружинным аккумулятором с обратной связью с призабойным пространством. Особенностью конструкции является распределительная система питания-разрядки управляемой камеры рабочего хода ударника. Она включает дифференциальный питающе-разрядный клапан, обеспечивающий питание камеры рабочего хода на всем пути движения ударника в фазе прямого хода и принудительную разрядку (вытеснение жидкости) камеры рабочего хода в фазе обратного хода, до команды на перекидку клапана из положения «разрядка» в положение «питание».
Наличие пружинного аккумулятора с обратной связью обеспечивает условие работы пружин с постоянной нагрузкой, т.е. независимо от изменяющихся условий на забое скважины. Без такой связи никакой аккумулятор не обеспечит нормальную работу погружного гидроударника, если будут меняться условия в призабойном пространстве, например, возрастать противодавление. Краткая техническая характеристика погружного гидроударника объемного типа приведена в таблице 4.
Таблица 4. Карта технического уровня погружных гидроударных машин.(1)
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 4. Карта технического уровня погружных гидроударных машин.(2)
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
* – значимые показатели базовых алогов
Удельная энергия α = (Ay•ν):QнДж/м3;к.п.д., где Ау – энергия удара,Дж; ν – частота ударов, Гц; QH – расход жидкости, м3/c; ΔP – Перепад давления, Па.
В нее внесены данные по отечественным и зарубежным погружным гидроударникам, выявленным при поиске аналогов. Приведены представительные модели, наиболее близкие по типоразмеру, назначению и виду энергоносителя, а также известные по применению или наиболее перспективные.
В рамки выделены наиболее значимые показатели сравниваемых аналогов. По этим показателям разрабатываемый ИГД СО РАН базовый образец выгодно отличается от прототипа – отечественного гидроударника Г76У динамического типа.
Для сравнения интересна разработка шведской горнорудной компании LKAB гидроударник WASSARA. Высокие показатели этой машины определяются весьма значительными расходом воды (280–450 л/мин) и рабочим давлением (18 МПа) энергоносителя. Для бурения крепких горных пород это приемлемо и даже необходимо. При бурении сложных разрезов с неустойчивыми зонами такой расход промывочной жидкости недопустим. Гидроударник работает только на воде с 100 микронной фильтрацией. Компания высоко оценивает перспективность этой разработки и отмечает выгодность ее применения по сравнению с пневмоударником при высоком давлении (2 МПа) сжатого воздуха.
На рисунке 8 приведена осциллограмма рабочего процесса гидроударника с объемным гидроприводом описанной конструкции. Следует отметить, что наличие гидроударных импульсов (пики давлений в рабочих камерах и напорной магистрали) не означает их доминантные значения в работе машины. Напротив, это следует характеризовать как негатив, от которого необходимо избавляться путем поиска новых технических решений.
В то же время осциллограмма подтверждает работу гидроударника по принципу объемного гидропривода. Цикл имеет явно выраженный обратный ход ударника без противодавления в камере рабочего хода на всем пути в этой фазе и достаточное разгонное давление в фазе прямого хода.
 |
Рис. 8. Осциллограммы давлений в рабочих камерах гидроударника. |
Данные экспериментального исследования подтверждают превосходство гидроударников с объемным гидроприводом.
Направление разработок ИГД СО РАН ориентировано также на ударный способ бурения, но в более широком диапазоне крепости пород и геологических условий с привязкой к конкретным технологиям: бурение сплошным забоем без отбора проб и бурение колонковыми наборами с креплением стенок скважины глинистым раствором.
- Горные науки, освоение и сохранение недр земли. Под ред. Академика К. Н. Трубецкого. М. изд. Академии горных наук, 1997, 372–384 с.
- Патент РФ № 2252996. Погружной пневмоударник/Липин А. А. и др.//БИ № 15, 2005 г.
- Патент РФ № 2109124. Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем/А. А. Липин, С. А. Зима/. Опубл. 1998. – БИ № 11.
- Патент РФ № 2067148. Кольцевой пневмоударник/А. А. Липин/. Опубл. 1996. – БИ № 27.
Автор: Липин А. А. Танайно А. С. Тимонин В. В.
Источник:
