Перспективы вращательного бурения

Главной перспективой в области вращательного бурения является повышение производительности труда и снижение себестоимости буровых работ. Решение этой задачи возможно по следующим основным направлениям:

• • изыскание и применение более эффективных режимов бурения, повышающих механическую скорость проходки взрывных скважин;
• • увеличение потока энергии, передаваемой на рабочий инструмент бурового снаряда;
• • механизация и автоматизация основных и вспомогательных операций при бурении, обеспечивающих возможность многостаночной работы; разработка многошпиндельных агрегатов для параллельного бурения веера взрывных скважин;
• • повышение стойкости породоразрушающего инструмента, создание самозатачивающегося инструмента;
• • применение для вращательного бурения взрывных скважин погружных буровых машин.

Увеличение механической скорости бурения и повышение износостойкости бурового инструмента может быть достигнуто при включении в систему факторов, действующих на забое скважины при вращательном бурении, дополнительного действия вибраций и увеличенного усилия подачи (осевого усилия), действующих на рабочий наконечник бурового снаряда. При вращательном бурении горных пород существует ряд источников возбуждения колебаний, которые, согласно принципу суперпозиции, будут складываться. Как показали наблюдения за работой снаряда ВКС-1, основными источниками крутильных колебаний являются: неоднородность механических свойств породы на забое скважины, наличие остаточных деформаций породы, неоднозначность коэффициента трения в зависимости от скорости движения сопряженных поверхностей (релаксационные явления). Поэтому при передаче крутящего момента через упругий элемент от вращателя, движущегося с постоянной угловой скоростью к породоразрушающему инструменту, последний будет совершать пульсирующие движения. При этом изменяется характер воздействия резцов на забой. Реактивный момент сил сопротивления забоя вызывает вначале крутильную деформацию упругого звена с накоплением в нём потенциальной энергии. Вследствие хрупкого разрушения забоя режущая кромка в начальный период будет скользить по забою с угловой скоростью, большей, чем угловая скорость вращателя. По мере нарастания сил сопротивления скорость её будет уменьшаться. Как показали опыты, даже при смоченных поверхностях твердого сплава и породы между силой трения и относительной скоростью перемещения существует нелинейная зависимость — с увеличением скорости сила трения уменьшается. После перехода положения равновесия скорость резца начнёт уменьшаться, а крутящий момент увеличиваться за счёт возрастания сил сопротивления и сил трения при уменьшении скорости. Упругое звено начнет закручиваться, накапливая потенциальную энергию, после чего процесс повторится и снаряд будет совершать крутильные колебания. При экспериментальной проверке вибросилового режима при бурении пород крепостью/= 10… 12 с применением виброколонкового снаряда ВКС-1 на станке с винтовой подачей ВСЗ, развивавшем осевое усилие до 3 т, установлена возможность повышения скорости бурения в два раза, а стойкости буровой коронки — в полтора раза по сравнению с силовым режимом бурения.

Количество горной породы, разрушаемой в единицу времени при бурении, прямо пропорционально количеству энергии, которая поступает на лезвия резцов в зону приложения разрушающих сил за это же время. Поэтому одним из основных направлений повышения скорости бурения можно считать максимально возможное увеличение потока энергии, направляемого па породоразрушающий инструмент.

Увеличение мощности вращающего и подающего механизмов буровых станков ведёт к увеличению их производительности. Однако при этом увеличиваются масса и габаритные размеры узлов машины, бурильных труб и вспомогательного инструмента. Последнее требует решения вопросов, связанных с механизацией, а в дальнейшем и с автоматизацией всех основных и подготовительно-заключительных операций при бурении. Механизация и автоматизация работы станков создаёт возможность параллельного обслуживания одной бригадой двух и более станков. Опыт многостаночного обслуживания, имеющийся в Криворожском бассейне, Лениногорском полиметаллическом комбинате и на Уральских рудниках, свидетельствует о возможности повышения производительности труда на буровых работах за счёт этого не менее чем в два-три раза.

При конструировании станков для проходки взрывных скважин должна учитываться возможность одновременной работы бригады на двух, трёх и более станках.

При современных системах очистной выемки полезных ископаемых с применением глубоких взрывных скважин чаще всего приходится бурить веер скважин, расположенный в вертикальной плоскости, от наиравленных вниз до направленных вверх (от 180 до 360°). Иногда веер скважин может быть расположен в горизонтальной или наклонной плоскости. Бурение всех скважин веера в основном производится с одного места. Таким условиям наиболее соответствовали бы станки с двумя, тремя и более шпинделями, работающими независимо друг от друга. Первые работы по созданию таких станков начаты институтом Гипрорудмаш.

Наиболее нуждаются в механизации подготовительно-заключительные операции (смена бурового инструмента, наращивание штанг, перестановка на новую скважину и другое), удельный вес которых в общем времени работы бригады занимает 40…60%. Увеличение механической скорости бурения станка в два раза увеличивает производительность труда только в 1,2… 1,3, а механизация вспомогательных операций, разрешающая обслуживание хотя бы двух станков (двух шпинделей), приведёт к повышению производительности труда примерно в два раза.

Установкой станка на самоходную тележку механизируется операция транспортировки. Перспективными, отвечающими условиям горных работ являются гусеничные тележки с индивидуальным приводом для каждой гусеницы. Такая конструкция разрешает делать поворот вокруг вертикальной оси гусеничного хода на самой минимальной площадке.

При бурении взрывных скважин, в большинстве случаев пересекающих породный или рудный массив на глубине 20…30м, физикомеханические свойства горных пород изменяются в сравнительно небольших пределах. Соответственно оптимальные значения величин, слагающих режим бурения, — усилие подачи, крутящий момент, окружная скорость, интенсивность промывки (продувки) — не потребуют особенно точной корректировки при бурении.

Режим бурения должен существенно меняться при изменении диаметра скважины и при переходе на другой тип породоразрушающего инструмента. Этим условиям наиболее отвечает принцип разработки и изготовления специализированных конструкций буровых станков, предназначенных на определенный тип бурового инструмента (твёрдосплавный, алмазный, шарошечный), с учётом требований эксплуатации в заданных горнотехнических условиях. Однако любой современный буровой станок должен разрешать хотя бы в небольшом диапазоне регулировку величин: усилия подачи, развиваемого механизмом подачи; скорости вращения бурового снаряда и крутящего момента, развиваемых вращателем. При таком положении работы, выполняемые в области создания аппаратуры, автоматически поддерживающей заданный оптимальный режим бурения, получат правильное и более эффективное решение.

Повышение качества бурового инструмента, его надежности и долговечности, при умеренной стоимости, является основой перспективного развития вращательного способа бурения горных пород. Значительный интерес представляют новые материалы, обладающие высокой сопротивляемостью абразивному износу. Перспективным является дальнейшее совершенствование алмазного бурового инструмента, в том числе импрегнированных алмазных коронок. При проходке скважин малого диаметра (36…59 мм) более высокие показатели получают при бурении сплошным забоем. Экономический эффект можно получить при условии разработки специализированного алмазного инструмента, конструкция которого рассчитана на горные породы, имеющие определённые физико-механические свойства, и увязана с параметрами оптимального режима бурения, создаваемого специализированной буровой машиной. Производительность твердосплавного бурового инструмента определяется качеством материала и конструкцией резцов буровой коронки (долота). Нужны новые более износостойкие твердые сплавы и материалы, обладающие высокими и стабильными технико-эксплуатационными качествами в соответствии с требованиями установленных стандартов, более совершенные конструкции буровых коронок, которые разрушали бы большую часть породы более крупными кусками. Этого можно достичь при нарезании на забое скважины отдельных узких канавок с оставлением гребешков породы, сламываемых потом крупными кусками. Количество прорезаемых канавок определяется в зависимости от крепости породы и диаметра коронки.

Резцы из твёрдого сплава марки ВК наиболее надежно работают при условии действия разрушающей силы по направлению, создающему в теле резца деформацию сжатия. Таким условием наиболее отвечают резцы с отрицательным передним углом. Чем крепче порода, тем ниже должна быть окружная скорость вращения бурового снаряда, больше осевое усилие и толще сминаемый слой породы.

Наличие значительных сил трения, действующих при вращательном бурении, вызывает интенсивный износ — затупление резцов коронки, смена которой ведёт к большим потерям рабочего времени.

Разработка мероприятий, замедляющих затупление резцов, а возможно и использующих силы трения для самозатачивания лезвий резцов, является перспективной.

Значительное влияние на коэффициент трения резцов буровой коронки оказывает шлам или штыб, образующийся при бурении.

При промывке скважины водой характер взаимодействия сё с разрушаемой породой определяет свойства шлама. При бурении гранитов разрушенная порода образует с водой механическую взвесь, при этом коэффициент трения буровой коронки подчиняется законам сухого трения. При бурении гематитовых пород и руд образуется как бы коллоидный раствор. Коэффициент трения буровой коронки в этом случае, в зависимости от величины окружной скорости и усилия подачи, подчиняется законам жидкого или полужидкого трения. Некоторые породы вступают в химические реакции с промывочной жидкостью, соответственно влияя на характер и величину коэффициента трения. Выбор промывочной жидкости должен производиться с учётом возможного влияния на силы трения и износ бурового инструмента.

Продувка скважин сжатым воздухом обеспечивает некоторое повышение стойкости твердосплавного бурового инструмента за счёт более интенсивного охлаждения, однако этот способ удаления разбуренных частиц породы ещё недостаточно исследован.

Перспективными являются погружные вращательные буровые машины. Перенос машины в скважину, непосредственно к её забою, имеет следующие преимущества:

• 1. Отпадает потребность вращения длинной колонны труб, за счёт чего снижается расход энергии на вращение труб.
• 2. Создаётся возможность более гибкого, направленного бурения скважин.
• 3. Улучшаются условия труда на рабочем месте, после спуска буровой машины в скважину значительно снижается уровень шума.
• 4. Упрощается конструкция бурового оборудования. Создаётся возможность конструирования многошпиндельных машин.
• 5. Меньшая нагрузка на колонну бурильных труб значительно увеличивает срок их службы.

Создаются условия для применения гибких, цельных штангканатов, наматываемых на барабан. Пустотелый канат-штанга будет служить для спуско-подъёмных операций, а также для подачи энергии к приводу погружного вращателя и воды или воздуха для удаления разбуренной породы. Технико-экономические показатели, полученные при электробурении, свидетельствуют о перспективности проходки взрывных скважин погружными буровыми машинами.