Лекция 10. Ударно-вращательный способ бурения

Одним из высокопроизводительных способов бурения в твердых и крепких породах является ударно-вращательный способ. Этот способ синтезирует преимущества вращательного и ударного способов бурения за счет чего резко повышается механическая скорость бурения.

Генератором ударных импульсов являются специальные машины: гидроударник или пневмоударник.

Гидроударное бурение применяется при бурении скважин ударно-вращательным способом. Гидроударники в компоновке бурового снаряда могут располагаться в призабойной части скважины над колонковой трубой или на поверхности сразу после ведущей трубы.

Принцип действия гидроударников основан на использовании явления гидравлического удара, сущность которого заключается в резком повышении давления вблизи преграды вследствие инерции движущегося потока жидкости.

Промывочная жидкость по бурильным трубам через переходник попадает в верхнюю камеру. Клапан перекрывает центральное отверстие поршня – бойка, который размещен в цилиндре. В верхней камере резко повышается давление и клапан вместе с поршнем – бойком преодолевая сопротивление пружины в движется вниз, нанося удар по наковальне. Во время движения вниз вследствие большей массы поршня-ударника который имеет большую инерционность происходит отрыв клапана и жидкость через центральное отверстие поршня – бойка, наковальня идет на забой скважины. Во время отсечки клапана в верхней камере резко падает давление и поршень был за счет возвратной пружины поднимается вверх и клапан перекрывает отверстие. Далее цикл повторяется.

Гидроударники, работающие по вышеописанной схеме, называется гидроударниками прямого действия, т.е. рабочий ход (движение ударник, вниз) осуществляется за счет промывочной жидкости, а обратный ход за счет возвратной пружины. Кроме того бывают гидроударники двойного и обратного действий.

В зависимости от количества ударов в минуту различают высококачественные гидроударники, количество ударов в минуту у которых достигают до 3000, когда у обычных до 1000 уд/мин.

В настоящее время применяются гидроударники следующих марок: Г-7, Г-9 с диаметрами бурения 76 и 59 мм, работающие на технической виде; ГВ-5, ГВ-6 высококачественное с диаметрами бурения 93,76 и 59 мм, работающие как на воде, так и на глинистом растворе.

Для гидроударного бурения выпускают твердосплавные коронки марки КГ (коронка гидроударная) диаметрами 59, 76, 93 и 112мм. Основные отличия указанных от твердосплавных коронок для вращательного бурения заключается в том, что они имеют утолщенное короночное кольцо (толщина стенок мм) и армированы более крупными клиновидными резцами твердого сплава ВК-15. Эти конструктивные особенности, а также треугольный профиль промывочных окон обеспечивают прочность торцовой части и резцов при действии ударных нагрузок.

Кроме того с высокочастотными гидроударниками в качестве породоразрушающего инструмента могут быть использованы серийно выпускаемые алмазные коронки. Так как энергия единичного удара в высококачественных гидроударниках составляет Дж, тогда как у низкочастотных - Дж.

Другой технологический инструмент (колонковые трубы, переходники, бурильные трубы) при гидроударном способе бурения также как и при обычном вращательном способе.

Ударно-вращательное бурение гидроударниками Г-7 и Г-9 рационально в породах VII-X категорий по буримости до глубины 800-1000м. При использовании ударных машин ГВ-5, ГВ-6 рациональной областью считаются породы V-VIII категорий до глубины 1200м, а при бурении алмазными коронками глубины достигать 1200м при категории породV-XI.

К технологическим факторам гидроударного бурения относятся: удельная энергия удара, скорость вращения снаряда, усилие подачи и режим работы гидроударника.

I) Выбор величины удельной энергии удара

Объемное разрушение породы в системе ударно-вращательного бурения может быть достигнуто при соответствии величины удельной энергии удара оптимальному значению, необходимому для разрушения породы ударом. Удельная энергия удара определяется из равенства

(26)

где Р- удельная энергия удара, Дж/см;

Е- энергия единичного удара, Дж;

т число резцов одинаковой длины лезвий;

- длина лезвия резца, см;

|Р| - оптимальное значение удельной энергии удара, Дж/см.

Оптимальное значение [р] зависит от крепости горных пород. Применьших значениях фактической величины удельной энергии удара необходимопроизвести корректировку путем изменения режима работы гидроударника или уменьшением суммарной длины лезвий рабочих резцов специальной их заточкой.

Таблица 11. Оптимальные значения удельной энергии удара

Категория породы	VI-VII	VIII	IX	X	XI
Оптимальная величина удельной энергии удара, Дж/см   Оптимальное расстояние между смежными ударами, мм	0,5 – 0,8     15-20	0,8 – 1,0     10-15	1,2 – 1,5     8-10	1,5 – 2,0     5-7	2,0     4-5

При одинаковой длине лезвий резцов можно определить оптимальное числорабочих резцов по равенству

(27)

Изменение числа резцов для получения оптимальной энергии удара следует производить после обеспечения максимально возможной энергии удара выбором соответствующего расхода промывочной жидкости, прока­чиваемой через гидроударник.

2) Выбор скорости вращения инструмента

Эффективное бурение в режиме объемного разрушения породы дос­тигается при условии соблюдения оптимального расстояния между смеж­ными ударами, которое зависит от диаметра инструмента, частоты ударов и вращения инструмента. Поэтому необходимо соблюдение равенства

(28)

где С — расстояние между смежными ударами, мм;

п - частота вращения инструмента, об/мин;

D — диаметр инструмента, мм;

Т — частоты ударов гидроударника, уд/мин;

[с] - оптимальное расстояние между смежными ударами, мм (табл. 9).

При больших значениях С следует произвести корректировку путем из­менения частоты вращения, т.е. число оборотов инструмента должно быть

(29)

3) Выбор величины усилия подачи

Одним из режимных параметров, который оказывает значительное влияние на износ инструмента по диаметру и рабочим торцам резцов, явля­ется величина усилия подачи. Поэтому его значение должно быть минимально возможным, исходя из условия преодоления силы отдачи гидроударника, осо­бенно при проходке крепких и трещиноватых пород. При проходке более сла­бых пород величина усилия подачи может быть несколько увеличена. Значе­ния рекомендуемой осевой нагрузки приведен в табл. 12.

Таблица-12. Рекомендуемые значения осевой нагрузки, проходки за рейс и частоты вращения инструмента.

Показатели	Категория горных пород
VII-VIII	VIII-IX	X	XI
1. Число рабочих резцов	6-4	4-3
2. Частота вращения инструмента, об/мин	120-100	80-60	35-40	25-35
3. Усилие подачи, даН	500-600	450-300	300-250
4. Проходка за рейс, м	7-6	5-3,5	2,5-2	1,2-1,5

Дата добавления: 2015-07-13