7.6.2. Особенности технологии пневмоударного бурения

Технология пневмоударного бурения разведочных скважин отличается от технологии бурения взрывных скважин и шпуров в горной промышленности (где этот способ бурения наиболее широко освоен), что связано с более сложными геолого-техническими условиями и специфическими геологическими факторами разведочного бурения.

Такими факторами являются следующие:

• значительные глубины скважин и частые водопроявления, создающие подпор на выхлопе пневмоударных машин;

• более сложный геологический разрез скважин, характеризующийся в общем случае чередованием различных по свойствам пород;

• необходимость получения в результате бурения достоверной геологической информации.

С учетом изложенного и общих закономерностей пневмоударного бурения могут быть сделаны следующие рекомендации по технологии сооружения скважин пневмоударным способом.

Давление и расход воздуха в напорной магистрали

Скорость ударно-вращательного бурения связана с забойной мощностью ударного узла зависимостью, близкой к линейной. Входящие в формулу забойной мощности величины энергии единичного удара А_уд и частоты ударов n_уд в свою очередь определяются как функции давления воздуха в напорной магистрали Р и его расхода в единицу времени Q. Таким образом, эти два параметра являются основными, определяющими уровень забойной мощности пневмоударника и, следовательно, скорости бурения пневмоударным способом.

Давление воздуха в процессе бурения зависит от состояния скважины, бурового снаряда и является одним из основных показателей процесса бурения в заданном режиме. В течение рейса давление должно изменяться незначительно.

Быстрое повышение давления в процессе бурения с одновременным прекращением выноса пыли свидетельствует о нарушении циркуляции воздуха. Это может возникнуть при повышении длины рейса относительно длины трубы и переполнения шламовой трубы шламом, перемерзания отверстий в бурильных трубах или образования шламового сальника. В последнем случае следует прекратить бурение и произвести «расхаживание» снаряда. Если давление не падает до нормального – произвести подъем снаряда.

Расход воздуха определяет качество очистки скважины от шлама выбуренной породы. Не допускается сбрасывание воздуха на поверхности в процессе бурения. Поэтому расход воздуха должен соответствовать величине, предусмотренной в паспортной характеристике пневмоударников. Пониженный расход воздуха допускается кратковременно лишь в некоторых случаях при приработке нового породоразрушающего инструмента и при его спуске в зауженную скважину.

Минимальная скорость восходящего потока, обеспечивающая эффективную транспортировку частиц породы на поверхность, составляет 15-25 м/с, вынос крупных тяжелых частиц размером до 8 мм требует скорости восходящего потока более 30 м/с. Исключение составляют осложненные условия бурения, например, бурение в карстовых зонах, в неустойчивых слабосвязанных породах, в которых потоком выдуваются пустоты.

Давление воздуха в напорной магистрали также должно быть максимальным с учетом возможностей существующих компрессоров общего назначения. При использовании компрессоров высокого давления может быть достигнут прямо пропорциональный рост скорости бурения^. Одновременно с этим повышение сетевого давления позволяет существенно увеличить глубины бурения скважин, эффективнее бороться с водопритоками в скважину.

Обязательным элементом технологии пневмоударного бурения должен быть контроль параметров: давления в магистрали по показаниям манометров, расхода воздуха, например с помощью дифференциального манометра. Снижение расхода воздуха, подаваемого компрессором, можно оценить косвенным путем – по уменьшению давления в магистрали и снижению частоты ударов пневмоударника (частотомером ВР-1 или ВР-2) при работе пневмоударника на поверхности.

Режим пневмоударного бурения

Осевая нагрузка Р_ос при пневмоударном бурении выполняет следующие функции:

• обеспечивает контакт породоразрушающего инструмента с породой в момент передачи ударного импульса, благодаря чему повышается к.п.д. передачи удара;

• повышает эффективность разрушения пород средней твердости вследствие совместного действия ударных импульсов и статического усилия, обеспечивающего эффект резания пород в промежутках между ударами.

Вместе с тем с увеличением Р_ос возрастают силы трения на контакте резца с породой и повышается износ лезвий, особенно в абразивных породах. Кроме того, при значительных осевых нагрузках затрудняется выход лезвий резцов из соответствующих лунок разрушения от ударов, повышается неравномерность вращения инструмента, возникают крутильные удары, приводящие к поломкам резцов, особенно в трещиноватых породах и слабосцементированных конгломератах. С учетом этих факторов при пневмоударном бурении, как правило, не рекомендуются высокие значения Р_ос. Рациональные значения этого параметра приведены в табл. .

В слабых глинистых породах под действием осевой нагрузки и ударов пневмоударника породоразрушающий инструмент внедряется в породу на всю глубину резцов, что приводит к зашламованию каналов для продувки и прекращению работы пневмоударника. В этих условиях рекомендуется бурить с минимально возможной осевой нагрузкой (снаряд поддерживают «на весу»).

Частота вращения n (в мин^-1) снаряда при пневмоударном бурении определяется преимущественно физико-механическими свойствами пород, однако она должна быть увязана с частотой ударов в 1 мин пневмоударника. По существующим рекомендациям величина пути пробега резца между ударами в наиболее твердых абразивных породах должна составлять 2 мм; в породах средней твердости и абразивности =7,5…8 мм, а в малоабразивных средней твердости породах =12…13 мм. С увеличением степени трещиноватости пород частоту вращения надо увеличивать в среднем в 1,5 раза для предохранения резцов от заклинивания в трещинах. Аналогичные рекомендации относятся к бурению галечников и слабосцементированных конгломератов. Следует снижать частоту вращения с увеличением диаметра породоразрушающего инструмента и уменьшением частоты ударов пневмоударника. Рекомендации по частоте вращения при пневмоударном бурении приведены в табл. .

Осложнения при пневмоударном бурении

Бурение разведочных скважин пневмоударниками осложнятся противодавлением на выхлопе, обусловленным следующими факторами:

• водопроявлениями в скважине, в том числе со значительными водопритоками;

• повышением аэродинамических сопротивлений движению потока очистного агента в колонковой трубе по мере заполнения ее керном особенно в интенсивно трещиноватых породах (так, по данным В.В.Куликова, заполнение колонковой трубы дробленым керном на длину 1,2 м создает противодавление 0,08 МПа);

• повышением сопротивлений движению потока очистного агента в результате зашламования колонковой трубы, коронки и образования сальников на стенках скважины.

Технология пневмоударного бурения в обводненных скважинах включает следующие мероприятия.

1. Ступенчатый спуск снаряда в скважину с периодической продувкой в целях понижения уровня воды в скважине благодаря эрлифтной откачке. Число ступеней такого спуска определяется опытным путем с учетом дебита воды, глубины скважины и других факторов. Пневмоударник при этом должен быть обязательно оборудован обратным клапаном для предупреждения попадания в цилиндр загрязнений из скважины.

2. Оборудование снаряда каналом для выпуска части воздуха в обход пневмоударника в условиях интенсивных водопритоков и при наличии избыточного сжатого воздуха. Эрлифтный подъем воды по затрубному пространству понижает статический уровень в скважине и уменьшает противодавление. Простейшим примером технического решения подобного рода может служить так называемый перепускной клапан над пневмоударником или регулировочный клапан.

3. Применение в качестве очистного агента газожидкостной смеси с ПАВ повышенной концентрации (до 2-3 %). При смешивании с поступающей в скважину водой ГЖС с ПАВ образует пену, поднимающуюся затем по затрубному пространству и одновременно эффективно транспортирующую выбуренный шлам.

4. Использование компрессоров высокого давления. Такое решение является наиболее перспективным, так как наряду с борьбой с водопроявлениями увеличиваются забойная мощность пневмоударников и глубина их эффективного применения.

Изменение механической скорости бурения в течение рейса имеет линейный характер до определенных значений, после чего кривая этой зависимости падает более круто. С увеличением давления воздуха в напорной магистрали с 0,6 до 0,8 МПа уровень начальных значений V_M повышается в 1,4 раза, а линейный участок кривой V_M=f(l_p) возрастает с 2 до 3,5 м, т.е. в 1,75 раза.

С использованием одинаковых колонковых труб с увеличением глубины скважины механическая скорость снижается; иной характер носит эта зависимость при бурении двойными колонковыми трубами – скорость в течение рейса остается постоянной.

Наиболее сложной технологической задачей при пневмоударном бурении разведочных скважин является борьба с зашламованием инструмента и образованием сальников. Эти осложнения обусловлены следующими факторами:

• налипанием глинистого материала на торцевую поверхность коронки и колонковую трубу в обводненных скважинах; этому явлению способствует бурение с высокой осевой нагрузкой и применением коронок с малой высотой промывочных окон;

• снижение скорости восходящего потока очистного агента в местах увеличения площади сечения проходных отверстий затрубного пространства – на участке соединения бурильной трубы с пневмоударным снарядом, в зонах размыва стенок скважины и образования каверн.

При возникновении таких осложнений резко возрастает противодавление на выхлопе, снижается мощность пневмоударника, а в наиболее сложных ситуациях пневмоударник прекращает работу совсем. Для предотвращения образования сальников и налипания шлама на инструмент применяют в основном профилактические меры:

1. ограничивают в глинистых прослоях осевую нагрузку до минимальных значений;

2. используют специальные конструкции коронок с увеличенной площадью сечения проходных каналов, а также с расположением лезвий, обеспечивающих эффект шнекового перемещения налипшего в промывочных и шламовых окнах породного материала;

3. уменьшают до минимума площадь сечения блокировочных отверстий в пневмоударниках с целью обеспечения их работы на весу; при этом в условиях интенсивной вибрации инструмента с минимальным (в пределах 5-10 см) расхаживанием снаряда в ряде случаев достигается очистка снаряда от шлама.

Расхаживать снаряд с большой амплитудой не рекомендуется, так как может произойти заклинивание дробленого породного материала в колонковой трубе.

Радикальной мерой борьбы с образованием сальников и зашламованием инструмента является применение в качестве очистного агента ГЖС с ПАВ. Выбор типа ПАВ зависит от характера минерализации вод, а его концентрация – от дебита водопритока.

Хорошие результаты также дает периодическая промывка скважины водой или раствором с последующей продувкой ГЖС с ПАВ. При этом размываются и удаляются сальники на стенках скважины, размываются шламовые пробки в буровой коронке и снаряде. В наиболее сложных геологических разрезах следует бурить с креплением стенок скважины обсадными трубами.

В твердых абразивных породах при пневмоударном бурении происходит интенсивный износ коронок по торцу и диаметру. При этом закономерности ударного разрушения твердых пород и износа инструмента аналогичны закономерностям при гидроударном бурении:

1. максимальная эффективность разрушения твердых пород достигается при высоких значениях удельных ударных нагрузок и снижается по мере снижения этого параметра;

2. разработка скважины по диаметру является следствием воздействия ударных импульсов на периферийные участки лезвий породоразрушающего инструмента; величина разработки – это превышение зоны разрушения периферийных участков забоя над диаметром коронки;

3. наиболее энергоемкой зоной при разрушении породы на забое скважины является периферийная, которая составляет единое целое с окружающим скважину массивом породы, находящимся в условиях объемного сжатия под действием горного давления; ослабление этой периферийной зоны осуществляется лишь за счет трещинообразования от действия предыдущих ударных импульсов;

4. находящиеся в наиболее сложных условиях с точки зрения ударного разрушения породы периферийные участки лезвий коронки подвергаются помимо этого и максимальному износу под действием сил трения, так как проходят наибольший путь трения;

5. с повышением величины ударного импульса и объема разрушенной с каждым ударом породы уменьшается износ лезвий, так как перемещение последних между ударами осуществляется как бы по «подушке» из раздробленного породного материала и уменьшаются силы зацепления резца с породой.

Перечисленные закономерности объясняют форму затупления лезвий породоразрушающего инструмента при ударно-вращательном бурении:

• у коронок и долот для бурения без отбора керна увеличивается торцовая площадка затупления лезвий от центра к периферии, причем периферийная часть лезвия имеет закругление в направлении к стенке скважины, в этом месте наблюдается максимальный износ резца;

• у коронок для бурения с отбором керна лезвие имеет двусторонний аналогичный износ, причем с внутренней стороны (со стороны столбика керна) он в 2-3 раза меньше, чем с внешней.

С образованием внешней площадки затупления резцов уменьшается разработка скважины по диаметру, например, в твердых породах – до десятых долей миллиметра, что требует ступенчатой отработки породоразрушающего инструмента. Практически это означает, что весь подготовленный для бурения данной скважины породоразрушающий инструмент измеряется по наружному диаметру с точностью до 0,1 мм, группируется и отрабатывается строго по порядку.

Наиболее эффективным средством борьбы с уменьшением диаметра инструмента является повышение забойной мощности пневмоударников за счет применения сжатого воздуха высокого давления. С этой же целью породоразрушающий инструмент армируется вставками твердого сплава, часть из которых располагается по окружности наружного диаметра инструмента (ТулНИГП).

7.7. Комплексы технических средств и технология бурения с

гидротранспортом керна