2.6. Бурение скважин шарошечными долотами

На карьерах этот способ — один из самых распространенных и перспективных для бурения вертикальных и наклонных сква­жин диаметром 160—320 мм в породах с коэффициентом кре­пости f> 6.

При шарошечном бурении разрушение пород производится шарошечными долотами, представляющими собой конструкцию, сваренную из трех лап, на консольных осях которых вращаются на роликовых и шариковых опорах шарошки (рис. 2.15). Шарошки имеют вид конуса, на поверхности которого имеется несколько рядов (венцов) зубьев; при вращении долота зубья перекаты­ваются по забою и разрушают породу. Если зубья выполнены из одного материала с шарошкой, то долото называется з у б ч а т ы м, если зубки выполнены в виде запрессованных или запаян­ных цилиндрических вставок твердого сплава с клиновой или сферической рабочей поверхностью, то долото называется шты­ревым.

Выпускаются комбинированные з у б ч а т о – ш т ы р е в ы е долота, вооружение которых представлено чередующимися в вен­цах стальными зубьями и штырями твердого сплава. Такие до­лота предназначены для бурения перемежающихся по крепости пород и имеют в марке индекс ТК.

Область применения долота обозначена буквой в конце его марки: С — для средних пород, Т — для твердых, К — для креп­ких, ОК — для очень крепких пород. Долота, имеющие в лапах каналы для подачи в подшипники опор сжатого воздуха и смазки, имеют в марке букву П. Кроме того, в марке долота дается его диаметр в миллиметрах. Штыревые шарошечные долота с клино­выми зубьями имеют индекс ТЗ.

Долота с периферийной продувкой забоя имеют в марке буквы ПГ. Буква В в конце марки означает, что опора каждой из шарошек имеет три подшипника качения. Для долот, имею­щих в опорах подшипники скольжения, в конце марки ставится буква Н. В начале марки каждого долота ставится буква Ш. Таким образом, в марке долота указываются все необходимые сведения для их выбора. Номенклатура выпускаемых шарошеч­ных долот приведена в табл. 2.3.

Удаление продуктов разрушения из скважины при шарошеч­ном бурении производится сжатым воздухом или воздушно-водя­ной смесью.

При бурении серийные зубчатые долота выходят из строя вслед­ствие износа зубьев, а штыревые — в основном (80 % и более) вследствие заклинивания подшипников опор долот при работо­способном породоразрушающем вооружении. Особенно часто

происходит заклинивание подшипников опор при попадании в них буровой мелочи, которая, смешиваясь с подаваемой на за­бой для ее удаления и пылеподавления воздушно-водяной сме­сью, образует жидкую, хорошо подвижную суспензию. Такое же быстрое заклинивание опор наблюдается при бурении обводнен­ных пород. В период наращивания бурового става смесь воды и буровой мелочи поднимается в долото и попадает в продувочные каналы опор.

Часто долото заменяется только при одной заклинившейся шарошке. Преждевременный выход долот из строя снижает тех­нико-экономические показатели этого способа бурения. Поэтому ряд организаций ведет работы по созданию устройств и примене­нию новой технологии отработки долот, при которых увеличи­вается стойкость подшипников опор.

Для увеличения стойкости подшипников опор долот приме­няются обратные клапаны различных конструкций, устанавли-

ваемые в долотах и препятствующие попаданию смеси буровой мелочи с водой в каналы опор (рис. 2.16); герметизированные опоры долот, имеющие специальную конструкцию уплотнительных соединений; лубрикаторы, маслоотражательные втулки и бу­ровые ставы (рис. 2.17) различных конструкций, обеспечивающие принудительную подачу масловоздушной смеси в опоры долот (благодаря чему подшипники защищаются от попадания в них буровой мелочи) и пылеподавление водой, подаваемой в скважину на расстоянии 0,6—1 м от забоя. В результате применения ука­занных устройств и принудительной смазки опор долот их стой­кость увеличивается в 1,5—3 раза.

Буровые станки. В настоящее время серийно выпускаются станки 4СБШ-200-40 (рис. 2.18), ЗСБШ-200-60, СБШ-250МНА (рис. 2.19), готовится к выпуску модель СБШ-320М. Техническая характеристика станков приведена в табл. 2.4.

Станки, выпускаемые на гусеничном ходу, достаточно маневренны при большой массе, необходимой для создания высоких осевых усилий на шарошечные долота, и принципиально разли­чаются схемой основного рабочего органа станка — вращательно-подающего механизма.

Привод вращателя осуществляется от асинхронного электро­двигателя с тиристорным регулятором частоты вращения или от системы генератор—двигатель. Спуско-подъемные операции, вклю­чая свинчивание и развинчивание штанг и установку их в кассеты, механизированы. Выпущенные станки СБШ-320М бурят скважину

на всю глубину (до 19,5 м) без наращивания штанг, что резко уменьшает затраты времени на вспомогательные операции, свя­занные с наращиванием — разборкой бурового става. Бурение без наращивания става обеспечивает более благоприятные усло­вия работы шарошечных долот и увеличение в 1,5—2,0 раза их стойкости, а также облегчает применение на станках систем авто­матического управления.

Буровую мелочь из забоя удаляют сжатым воздухом (станки 2СБШ-200Н, 4СБШ-200-40) или воздушно-водяной смесью (станки СБШ-250МНА, СБШ-320М). На всех станках устанавли­ваются винтовые компрессоры, рукавные фильтры для пыле­улавливания или емкости с водой для создания воздушно-водяной смеси, подаваемой на забой для очистки скважины и пылеподавления. Для снижения вибраций, возникающих на станках при рабо­те на повышенных частотах вращения, рекомендуется применять забойные (наддолотные) амортизаторы (рис. 2.20). Упругие эле­менты (резиновые шары, гуммированные конические поверхности или тарельчатые пружины) амортизатора снижают осевые и кру­тильные вибрации, возникающие при бурении, в 2—5 раз. Чем выше уровень возникающих вибраций, тем эффективнее оказы­вается применение наддолотных амортизаторов. При использо­вании амортизаторов чистая скорость бурения примерно такая же, как и при работе без них, а стойкость долот увеличивается в 1,3— 1,5 раза. Важным преимуществом работы с наддолотными аморти­заторами является возможность бурения на повышенных частотах вращения (120—150 мин^-1 и более), что невозможно осуществить из-за чрезмерных вибраций при работе без амортизатора.

Наложение виброударных нагрузок на шарошечное долото исследовано с помощью устанавливаемого над долотом погружного пневмоударника, наносящего в процессе бурения удары по до­лоту. Скорость бурения при этом увеличилась в 1,4—-1,6 раза при неизменной стойкости долота. Работы в этом направлении про­должаются.

В настоящее время разработаны научно-технические основы создания автоматических буровых станков-информаторов нового технического уровня, которые будут превосходить серийные станки по производительности бурения в 2—3 раза и давать сведения о свойствах буримых пород.

Механизм и закономерности разрушения пород при шарошеч­ном бурении, установленные на основе большого числа экспери­ментов, показывают, что при вращательном движении у долот чистого качения разрушающие элементы (зубья или штыри) внедряются в породу, как при ударном бурении (рис. 2.21, а), с образованием зон объемного разрушения 1, скола 2 и трещин 3.

В некоторых случаях долота выполняются таким образом, чтобы зубья в момент внедрения в породу еще смещались на некоторое расстояние параллельно забою скважины (долота со скольже­нием). При этом движении они могут срезать выступы породы (рис. 2.21, б), т. е. процесс разрушения получается аналогичным вращательно-ударному бурению.

Выбор рациональных режимов шарошечного бурения представ­ляет собой технико-экономическую задачу нахождения зоны ра­боты станка, где при высокой производительности обеспечивается минимальная себестоимость бурения. Эта зона определяется экспериментально с учетом изменения скорости бурения в зависи­мости от режимов, коэффициента использования станка на буре­нии и стойкости шарошечных долот.

Под режимами шарошечного бурения понимают величину осе­вого усилия на долото, частоту вращения инструмента и количе­ство воздуха, подаваемого для очистки скважины. На работаю­щих станках производительность компрессоров постоянна и вы­бираются только величины осевого усилия и частоты вращения.

Осевое усилие определяет объем разрушения при единичном цикле взаимодействия. При малых осевых усилиях (рис. 2.22) эффективность разрушения весьма незначительна, имеет место так называемое поверхностное разрушение породы (зона /). При больших осевых усилиях (зона //) происходит объемное разрушение с линейным увеличением объема раз­рушения с ростом осевого усилия. В зоне /// на забое наступают условия, когда разрушаемая порода недостаточно эффективно удаляется с забоя и дальнейший рост объема разрушения проис­ходит медленнее, а в некоторых случаях даже уменьшается. При ухудшении условий очистки забоя эффективность разрушения

породы ниже, и максимум дости­гается при меньших значениях осевого усилия (см. рис. 2.22, кривая 2).

На практике бурение ведется, как правило, в средней зоне, где скорость бурения пропорцио­нальна осевому усилию (рис. 2.23).

Только в породах некрепких при больших осевых усилиях может наблюдаться выполаживание кривой. Таким образом, из условия разрушения целесообразно применять максимально возможные осевые усилия на долото. На практике принято выбирать макси­мальное значение осевого усилия на 1 мм диаметра долота, исходя из прочности его элементов. Эта величина для разных типов долот составляет: 400—600 Н для долот типа С и СТ; 600—800 Н для долот типа Т; 800—1200 Н для долот типа К; 1200—2000 Н для долот типа ОК.

С увеличением диаметра долота оно выдерживает большие удельные усилия. Поэтому в крепких породах эффективно при­менение долот большого диаметра (269, 320 мм). С увеличением крепости пород рациональные значения удельных осевых усилий увеличиваются (рис. 2.24).

Частота вращения долота определяет частоту воздействия зубьев долота на забой, и с ее увеличением возрастает скорость бурения (рис. 2.25). Однако увеличение частоты вращения имеет следующие недостатки: требует соответствующего увеличения количества воздуха для очистки забоя, так как иначе порода не успевает удаляться с забоя и эффективность процесса разру­шения снижается; резко снижается стойкость опор шарошечных долот (в 3—5 раз) из-за перегрева и заклинивания подшипников; резко увеличиваются вибрации на станке, что делает невозмож­ным бурение на таких режимах.

При определении рациональных частот вращения на карьере проводится отработка трех—пяти долот на различных частотах вращения (например, 60, 100, 150 и 200 мин^-1), определяются скорость бурения, сменная производительность станка, стойкость долот, расходы на 1 м бурения по статьям «машино-смена» и «шарошечные долота» и строится график (рис. 2.26, а), из которого получают рациональные значения частоты вращения шарошечных долот при минимальной себестоимости бурения.

Стоимость бурения 1 м скважины С_б определяется, исходя из достигнутой производительности станка в смену П_см при данных режимах его работы с учетом двух основных статей затрат:

стоимости машино-смены станка С_мс;

с тоимости С_и и стойкости S_и (количество пройденных метров скважин до полного износа) бурового инструмента.

Тогда

При этом стоимость машино-смены станка и стоимость инстру­мента принимаются по данным технического отдела предприятия, I а остальные данные получают по результатам работы станка. Обычно рациональные частоты вращения долота находятся в пре­делах 80—150 мин^-1. С увеличением коэффициента крепости по­род рационально снижать частоту вращения долота (см. рис. 2.24).

Указанные выше способы принудительной смазки опор долот, осуществление пылеподавления водой на некотором расстоянии от забоя, предотвращающего попадание в подшипники опор долот буровой мелочи, применение забойных амортизаторов, центра­торов и систем автоматического управления процессом бурения обеспечивают условия работы долот на повышенных частотах вращения (150—250 мин^-1), не снижая их стойкости и не превы­шая стандартные нормы вибрации на станке. При этом производи­тельность станков растет, а себестоимость бурения снижается с увеличением частоты вращения экспоненциально (рис. 2.26, б). Таким образом, станки эксплуатируются надежно на предельно высоких частотах вращения долот, находящихся под предельно допустимыми осевыми нагрузками, обеспечивая предельно высо­кую производительность. Такой режим эксплуатации станка должна обеспечивать система автоматического управления рабо­той станка.

Шарошечный способ бурения скважин и в дальнейшем будет основным на средних и крупных карьерах, разрабатывающих породы с коэффициентом крепости f > 6.

Для условий транспортного и гидротехнического строительства созданы автономные модели буровых станков на базе серийных

гусеничных тракторов. Они предназначены для бурения верти­кальных и наклонных скважин шарошечными долотами диаметром 161 мм глубиной до 25 м. На рис. 2.27 показана наиболее рас­пространенная модель станка БТС-2, работающего с прицепным компрессором, а на рис. 2.28 — более совершенная опытная модель станка СБШ-160 с установленным на общей раме компрессором. Такие станки успешно эксплуатируются в условиях отсутствия постоянных источников энергии в технологической цепочке: «дизельный компрессор — буровой станок — экскаватор — авто­самосвал».