Области применения и особенности ударно-вращательного гидроударного бурения.

Две основные особенности, определяющие и две основные области применения – это возможность использования твердосплавных резцов для бурения в самых твердых породах до Х – ХII категорий по буримости и практическое отсутствие осевой нагрузки на коронку при бурении в твердых породах.

1. Первоначальная разработка и внедрение ударно-вращатедьного гидроударного бурения выполнялась именно с целью замены дробового и только зарождающегося алмазного бурения в породах IХ – ХI категорий, где вращательное твердосплавное бурение невозможно. В настоящее время ударно-вращательное гидроударное бурение с твердосплавными коронками рационально применять для бурения прослоек пород IХ – ХI категорий при большом диаметре скважин (151 мм.), поскольку алмазных коронок такого диаметра практически нет.

2. Отсутствие осевой нагрузки,- второе достоинство ударно-вращательного бурения, позволяет бурить вертикальные прямолинейные скважины, поскольку буровой снаряд «весит» в скважине как отвес. (При вращательном бурении с осевой нагрузкой скважины обязательно искривляются и откланяются).

3. При бурении в скальных породах средней крепости ударно-вращательное бурение может несколько повысить скорость бурения, но это, как правило, не окупает дополнительных затрат и трудностей связанных с применением гидроударников и поэтому применяется крайне редко.

4. Недостатками применения ударно-вращательного бурения, кроме необходимости повышенного расхода промывочной жидкости, повышенный износ твердосплавных коронок по наружному диаметру при бурении в твердых породах и возможность конушения скважины.

5. К недостаткам можно отнести необходимость специальных твердосплавных коронок.

Вращательно-ударный вариант гидроударного бурения.

Одно из достоинств ударно-вращательного бурения использование коронок с твердосплавными резцами для бурения пород IХ – ХI категорий является и его серьезным недостатком, поскольку необходимо иметь специальные, более дорогие, чем обычные, твердосплавные коронки. Обычные твердосплавные коронки не выдерживали мощные удары среднечастотных гидроударников.

Для расширения области применения гидроударного бурения были разработаны высокочастотные гидроударники с уменьшенной энергией удара (до 10 – 15 Дж вместо 50 – 70 Дж у среднечастотных), Рассчитывали, что такими гидроударниками можно будет бурить твердые породы с обычными твердосплавными коронками. Производственные испытания вращательно-ударного бурения с обычными твердосплавными коронками, хотя и показали некоторое увеличение скорости бурения и расширение области применения твердосплавных коронок в твердых породах, однако этого оказалось недостаточно для компенсации дополнительных затрат и технологических сложностей связанных с применением гидроударных машин.

Существует легенда о том, что при проведении на полигоне СКБ «Геотехника» сравнения вращательно-ударного бурения твердосплавными коронками с обычным вращательным бурением алмазными коронками произошел такой казус. Инженер-испытатель, проводивший эксперимент, отлучился и, в его отсутствии, бурильщик по недосмотру спустил в скважину снаряд с гидроударником и с алмазной коронкой вместо твердосплавной, и начал бурение. Когда возвратившийся инженер-испытатель обнаружил, что в скважине алмазная коронка с гидроударником, он естественно испугался, что алмазная коронка будет разрушена ударными импульсами. Существовало мнение, что алмазы очень боятся ударных нагрузок и алмазные резцы разрушаются при бурении при наличии ударных импульсов. Однако в данном случае бурение успешно продолжалось, и когда алмазная коронка была поднята на поверхность, оказалось, что алмазные резцы совсем не пострадали и даже выглядели лучше, чем после обычного вращательного бурения. Проведенные в дальнейшем теоретические и экспериментальные исследования показали, что в отличие от беспорядочных ударов при вибрации, упорядоченные направленные вдоль оси ударные импульсы, практически безопасны для алмазных резцов и, напротив, значительно снижая трене алмаза о породу, облегчают внедрение резцов в породу забоя и, главное, уменьшают истирание режущей кромки резца. При бурении в твердых породах алмазными коронками применение высокочастотных гидроударников позволяет увеличить скорость бурения на 10 – 15%.

Обычно такой прирост скорости бурения не компенсирует дополнительных затрат, связанных с применением гидроударника. Но есть условия, когда применение вращательно-ударного бурения с алмазными коронками весьма эффективно. Это случаи бурения в очень твердых, но малоабразивных породах. В таких породах при очень маленьком внедрении алмаза в породу основная энергия тратится на трение режущей кромки алмаза о породу на торце резца, что приводит к быстрому истиранию режущей кромки и заполированию алмазов. Не будучи полностью изношены, алмазы перестают внедряться в породу и бурение прекращается. Проходка за рейс в таких условиях может составлять всего 0,5 – 1,0 метр. Применение высокочастотного гидроударника, вращательно-ударного бурения, за счет снижения трения и, соответственно, уменьшения заполирования, позволяет в несколько раз повысить углубку за рейс и, за счет этого, производительность бурения.

Что касается технологии вращательно-ударного бурения, то, как следует из термина, основное разрушение породы происходит за счет вращательного движения резцов, а ударные импульсы лишь помогают. Следовательно, параметры режима бурения (осевая нагрузка и частота вращения), в этом случае, те же, что и при вращательном алмазном бурении. Расход очистного агента, а для алмазного бурения это эмульсионные или полимерные жидкости, зависит от характеристики гидроударной машины. Для гидроударников диаметром бурения 76 и 59 мм оптимальный расход жидкости составляет 80 – 50 л/мин, что для алмазного бурения при таких диаметрах многовато. Для подачи нужного расхода жидкости на забой (40 – 20 л/мин соответственно), либо под гидроударником устанавливают делитель потока, обеспечивающий подачу на забой нужного количества промывки, либо осуществляют регулировку гидроударника, позволяющую получить достаточные параметры работы гидроударника (энергию и частоту ударов) при расходах жидкости 40 – 20 л/мин, либо над гидроударником ставят отражатель ударной волны, позволяющий сохранить энергию удара при меньших расходах жидкости.

Второй случай, где эффективно применение вращательно-ударного бурения, это бурение алмазное или твердосплавное в трещиноватых или перемежающихся породах. В таких условиях образующийся столбик породы – керн раскалывается по трещинам или по границам слоев, и отдельные куски керна сдвигаются и заклиниваются внутри колонковой трубы. Мелкие осколки породы могут заклиниваться внутри короночного кольца. Это явление называется» самозаклинивание керна. К сожалению, оно встречается довольно часто при бурении в скальных трещиноватых породах как средней твердости (при твердосплавном бурении), так и в самых твердых (при алмазном бурении). При самозаклинивании керна резко снижается скорость бурения, проходка за рейс и происходит частичное, а то и полное разрушение керна, происходит потеря и производительности и качества бурения.

Бороться с самозаклиниванием трудно и одним из наиболее эффективных приемов является применение высокочастотных гидроударников, то есть вращательно-ударного бурения. Упорядоченные осевые ударные импульсы (осевая вибрация) значительно снижают трение кусочков керна о стенки колонковой трубы и коронки «растрясают» их и тем самым уменьшают возможность самозаклинивания керна, что приводит к повышению производительности и качества бурения.