Ударно-вращательное бурение

Разрушающее усилие при ударно-вращательном бурении достигается благодаря совместному воздействию вращения и ударов инструмента, разрушающего породу.

К основным механизмам ударно-вращательного бурения относятся:

• гидравлические
• пневматические
• пневмо-гидравлические механизмы.

Гидравлические и пневматические механизмы применяют в виде нескольких периферийно расположенных гидро- и пневмоударников либо пневмопробойников, которые связаны с корпусом породоразрушающего инструмента.

Данные механизмы применяются преимущественно в устройствах для расширения скважин.

1. Рассмотрим принцип работы механизма с несколькими периферийно расположенными пневмопробойниками.

В подготовленное устье водоносной скважины вставляют головную часть устройства. Из-за воздействия сжатого воздуха происходит образование ударных импульсов, благодаря чему головная часть вместе с кожухом инструмента погружается в породу. В процессе движения головная часть, соприкасаясь с породой, уплотняет её, создавая при этом силы сцепления, которые компенсируют инерционные нагрузки.

2. Принцип работы механизмов с пневмоударниками.

Сжатый воздух, проходя сквозь коллектор, проникает в рабочие цилиндры, приводя к возвратно-поступательному движению пневмоударников. В свою очередь ударники воздействуют на хвостовики буровых коронок, в результате происходит разрушение забоя расширенной скважины.

Для повышения эффективности пневматических механизмов, выдвинут ряд технических решений. Например, сотрудники Института горного дела Сибирского отделения АН СССР, Н.А. Беляев и Н.И. Есина, полагают, что увеличение ударной мощности на единицу площади забоя скважины достигается благодаря расположению рабочих цилиндров и буровых коронок эксцентрично относительно друг другу, при этом показатель эксцентриситета определяется по формуле:

, где:

D –диаметр скважины после расширения;

d –диаметр скважины до расширения;

П_min –минимальное, конструктивно допустимое сближение рабочих цилиндров;

R –минимальное расстояние от оси буровой коронки по стенке рабочего цилиндра.

Гидропневматический ударный механизм ударно-вращательного бурения включает: цилиндр, с бойком и поршнем со штоком внутри. Возвратно-поступательное движение происходит от силового привода в виде кривошипно-шатунного механизма, и газо-гидравлического компенсатора.

В настоящее время существует множество механизмов и устройств для вращательного бурения. Вот некоторые из них.

Для повышения эффективности ударно-вращательного бурения, в политехническом институте Кузбасса создали комбинированное устройство (рис.1), позволяющее осуществлять разрушение породы резцами за счёт отрыва, благодаря чему обеспечивается образование в породе растягивающих и частично скалывающих напряжений.

Конструкция устройства включает:

• 1 - корпус
• 2 - забурник
• 3 - резцы
• 4 - ось для периодического сдвижения и раздвижения резцов
• 5 - поршень-боёк
• 6 - толкатель
• 7 - пружина
• 8 - плечи рычагов
• 9 - плечи рычагов для взаимодействия с приводными механизмами (5 и 6), вогнуты внутрь корпуса.

Рис.1

Комбинированное устройство для бурения скважин

Принцип работы данного устройства:

Резцы (3) при вращении устройства поворачиваются в результате удара, который наносит по их изогнутым концам (8 и 9) поршень-боёк (5) и через промежуточное тело (10) создают, в образованном опережающим забурником уступе породы, растягивающее напряжение и разрушают породу. Во время подъёма поршня-бойка (5) резцы при помощи подпружиненного толкателя (6) возвращаются в прорези корпуса (1). Затем цикл повторяется.

Через канал (12) воздух проходит в опережающую скважину, через канал (11) –в подпружиненный толкатель (6), а затем сквозь прорези - в призабойную часть скважины, причём воздушный поток блокирует попадание частиц породы в прорези и препятствует заклиниванию резцов.

Для лучшей эффективности разрушения твёрдых пород создана машина для ударно-вращательного бурения(рис. 2), которая получает удельную энергию удара на лезвие буровой коронки благодаря высоковольтным импульсным разрядам в жидкости.

Рис. 2

Буровая машина ударно-вращательного действия

Устройство машины ударно-вращательного бурения:

• 1 - полый шнек
• 2 - ёмкость с жидкостью внутри шнека
• 3 - электрод
• 4 - ударник
• 5 - коронка
• 6 - узел привода.
• 7 - эластичная связь, соединяющая 2 части ёмкости для жидкости
• 8 - верхняя крышка ёмкости
• 9 - неподвижная труба, в которой проходит электрод
• 10 - нижняя крышка ёмкости
• 11 - забурник
• 12 - кулачки в хвостовой части ударника, на которую насажена быстросъёмная коронка.

Принцип работы машины ударно-вращательного бурения:

При включении буровой машины на электрод (3) от силового электрического блока подаётся высокое напряжение, в результате происходит разряд в ёмкости с жидкостью между электродом и нижней крышкой, которая соединена через шнек с землёй. При разряде давление в ёмкости с жидкостью резко увеличивается и ударник вместе с крышкой ударяет коронкой по материалу и разрушает его.

В исходное положение ударник возвращается вследствие эластичной связи ёмкости (7) и поступательного движения буровой машины на забой. Силу и частоту удара можно регулировать, изменяя параметры электрического блока.

Также широкое применение получил пневмоударный бур, изобретённый М.М. Розиным и П.А.Широконосовым (рис. 3).

Рис. 3

Колонковый пневмоударный бур, включающий:

• 1 - корпус
• 2 - пневмоударник
• 3 - долото
• 4 - выдвижные элементы
• 5 - выдвижные элементы
• 6 - верхняя часть
• 7 - механизм подрезки стержня
• 8 - воздухораспределитель
• 9 - воздухопровод
• 10 - калибрующие резцы
• 11 - керноприёмная камера
• 12 - окна

Принцип работы бура:

Сжатый воздух от распределителя поступает через воздуховоды к пневмоударникам, приводя в действие долото. Отработанный воздух через окна и отверстия в нижнем торце корпуса очищает забой. В это время выдвижные элементы находятся в корпусе, а калибрующие резцы осуществляют обработку стенок керна и скважины. После прохождения скважины с кольцевым забоем на необходимую глубину прекращают подачу бура. Воздействуя на верхнюю часть механизма подрезки, при вращении бура перемещают выдвижные элементы по направлению к керну и подрезают его. Затем бур поднимают на поверхность, удаляют керн и перемещают выдвижные элементы в исходное положение.

Важной составляющей устройств ударно-вращательного бурения являются ударные механизмы, в качестве привода которых используются пневмопривод, электропривод, а также приводы кулачкового типа в сочетании с аккумуляторами энергии.

Интересны с точки зрения эффективности устройства для ударно-вращательного бурения, которые снабжены генератором тока с турбинным приводом. Например, устройство, ударник которого оснащён обратными клапанами, которые предотвращают передачу избыточного давления на забой (рис.4).

Рис.4

Устройство для ударно-вращательного бурения, состоящее из:

• 1 - штанга
• 2 - ударник
• 3 - пружина
• 4 - дифференциальный клапан
• 5 - шпиндель
• 6 - бурт
• 7 - отверстия
• 8 - обратные клапаны
• 9 - шлицевой разъём
• 10 - отверстия

Для перемещения ударника в скважине используют расширители (центраторы), которые установлены над (под) ударником.

Когда устройство опускают в скважину, ударник, шпиндель и клапан зависают на ограничителях. Скважину промывают через клапаны в штанге и зазор между шпинделем и клапаном.

Во время бурения ударник, шпиндель и клапан поднимаются вверх и перекрывают поток промывочной жидкости. В результате увеличивается давление полости над клапаном, что ведёт к перемещению ударника вверх. При этом сжимается пружина. Пройдя расстояние до ограничителя хода клапана, ударник поднимает клапан и движется вместе с ним по инерции.

Через получившийся зазор промывочная жидкость проникает к долоту, уменьшается давление и ударник под воздействие сжатой пружины опускается вниз, а клапан –наверх за счёт разности давления. В конце хода ударника зазор уменьшается, и клапан опускается вниз. Затем цикл повторяется.